灶前壓力對家用燃?xì)庠顭煔馀欧诺挠绊?/h1>
2018-04-15 09:02:28戴書生史炬戴奕藝
商品與質(zhì)量 2018年43期
戴書生 史炬 戴奕藝
國家燃?xì)庥镁弋a(chǎn)品質(zhì)檢監(jiān)督檢驗中心（佛山） 廣東佛山 528000
隨著人們生活水平的改善，家用燃?xì)庠罹咭呀?jīng)走進(jìn)千家萬戶。燃?xì)庠罹叩钠占胺奖懔巳藗兩畹耐瑫r，對大氣造成的污染，擺在了科研人員的面前，如何生產(chǎn)出高效節(jié)能的產(chǎn)品越來越受到企業(yè)和社會的重視。紅外線燃?xì)庠钶^好的解決了這個問題，本文將通過對紅外線燃?xì)庠畹娜紵^程進(jìn)行分析，研究不同灶前壓力下大氣式燃?xì)庠詈图t外線燃?xì)庠钤跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃燒的煙氣排放的差別。
1 灶前壓力對燃燒器煙氣排放的影響
圖1是兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠧O和CO2排放濃度隨灶前壓力變化的示意圖（三角折線表示大氣式燃?xì)庠睿粓A形折線表示紅外線燃?xì)庠?；黑線表示CO排放濃度；紅線表示CO2排放濃度）?？梢钥闯?，隨著灶前壓力的增大，大氣式燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO濃度呈指數(shù)函數(shù)遞增，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，CO排放濃度高達(dá)494PPM；而CO2排放濃度隨灶前壓力以正比函數(shù)遞增，在4000Pa的灶前壓力下CO2排放濃度達(dá)10.38%。相比大氣式燃?xì)庠?，紅外線燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO隨著灶前壓力的增大基本不變，始終維持在14PPM，其燃燒產(chǎn)生的CO2隨灶前壓力的變化與大氣式燃?xì)庠铑愃疲?000Pa的灶前壓力下CO2濃度達(dá)到9.78%。這是因為隨著灶前壓力的增大，大氣式燃?xì)庠钪腥細(xì)馀c空氣的預(yù)混效果相比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（2000Pa）產(chǎn)生偏差，隨著灶前壓力的增大，燃?xì)馀c空氣比例嚴(yán)重失衡，最終造成大氣式燃?xì)庠钤?000Pa以上的灶前壓力下發(fā)生惡性燃燒，CO濃度由83PPM迅速遞增到494PPM。而紅外線燃?xì)庠钣捎谌紵鲀?nèi)部分布大量的微孔，使得燃?xì)馀c空氣不管在多大的灶前壓力下均能得到很好的效果[1]，雖然由噴嘴引入的一次空氣量與大氣式燃?xì)庠畈畈欢?，但在燃燒器表面大量的微孔使得二次空氣的補(bǔ)充更加均勻，并且由于紅外燃?xì)庠畹臒o焰燃燒技術(shù)造成熱氣流是發(fā)散式的，冷空氣從四周引入，達(dá)到了非常好的二次預(yù)混效果，而大氣式燃?xì)庠畹臒釤煔庾韵露吓欧牛淇諝庵荒芘c邊緣的噴火孔有很好的預(yù)混效果，內(nèi)部火孔附近二次空氣量極少，燃燒不充分。此外，大氣式燃?xì)庠詈图t外線燃?xì)庠頒O2排放均隨著灶前壓力的增大而增大，這是因為隨著灶前壓力的增大，單位時間內(nèi)的燃?xì)夂臍饬恳搽S著增大，自然造成CO2的排放量增大。因此紅外線燃?xì)庠钕啾却髿馐饺細(xì)庠钤谠钋皦毫Φ淖兓聼煔馀欧啪哂懈玫姆€(wěn)定性。
圖1 灶前壓力對燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠧O和CO2排放濃度的影響
圖2是兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox和O2排放濃度隨灶前壓力變化的折線圖（三角折線表示大氣式燃?xì)庠睿粓A形折線表示紅外線燃?xì)庠?；黑線表示O2排放濃度；紅線表示NOx排放濃度）。從圖中可以看出，兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox的排放濃度均隨著灶前壓力的增加而增大，兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠴2排放的濃度均隨著灶前壓力的增大而減小。這是因為隨著灶前壓力的增大，單位時間內(nèi)的燃?xì)夂臍饬恳搽S著增大，因此單位時間的耗氧量也隨著增大，這就造成煙氣排放中O2濃度的降低；同時，隨著單位時間內(nèi)的燃?xì)夂臍饬康脑龃?，單位時間內(nèi)的燃?xì)鉄嶂堤岣?，燃?xì)獾慕^對燃燒溫度也隨之提高，而NOx排放濃度的變化正是反映燃燒溫度的變化，絕對燃燒溫度越高NOx排放濃度。實驗已證明，NOx的生成機(jī)理包含三個方面：①熱力型；②快速型；③燃料型。熱力型NOx的生成主要是由助燃空氣引入的氮?dú)庠?800K以上被氧化生成，它是由原蘇聯(lián)蘇聯(lián)科學(xué)家側(cè)耳多維奇提出的[2]。
快速型NOx生成機(jī)理是由于碳?xì)浠衔镌谌紵龝r能夠分解出大量的CH、CH2和CH3等基團(tuán)，能夠破壞氮?dú)獾姆肿渔I，在高溫條件下，分解出的CHi等自由基與與氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN、NH、N等，其中HCN是快速型NOx生成的最重要的中間產(chǎn)物，能在火焰里面快速生成NOx。
燃料型氮氧化物是由燃料中所含的氮元素在燃料燃燒時形成的，燃料中含氮的有機(jī)化合物通過熱裂解，生成HCN、NHi、及CN等中間產(chǎn)物，最終氧化成NOx。其中，溫度對燃料型NOx的影響并不明顯，主要是由于燃料中含氮化合物的熱裂解溫度并不高，在600-800℃內(nèi)，就能生成燃料型NOx。
同時，由于燃?xì)庵械牡繕O少，燃燒時幾乎沒有燃料型氮氧化物產(chǎn)生，而快速型氮氧化物的生成量比熱力型氮氧化物小一個數(shù)量級，因此控制煙氣中的氮氧化物排放量主要是控制熱力型氮氧化物的產(chǎn)生，1800K是熱力型NOx生成的關(guān)鍵溫度點，低于1800K時，NOx的生成量很少，當(dāng)溫度超過1800K時，NOx的生成速率急劇增大，為指數(shù)關(guān)系，溫度每升高100℃，反應(yīng)速率增大6-7倍。
圖2 灶前壓力對燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox和O2排放濃度的影響
圖3是灶前壓力對兩種燃?xì)庠钊紵龝rCO(α=1)和NOx(α=1)排放濃度的影響（三角折線表示大氣式燃?xì)庠睿粓A形折線表示紅外線燃?xì)庠?；黑線表示CO(α=1)排放濃度；紅線表示NOx(α=1)排放濃度）。圖3是由圖1和圖2根據(jù)GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹邩?biāo)準(zhǔn)通過以下公式轉(zhuǎn)化而來。
圖3 灶前壓力對燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠧O(α=1)和NOx(α=1)排放濃度的影響
從圖3中可以看出，大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢降低的趨勢，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度下降到0.010%，紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢增大的趨勢，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度提高到0.005%。對于大氣式燃?xì)庠?，由于燃燒器表面從周圍獲取的二次空氣量有限，隨著灶前壓力的增大，空氣需求量嚴(yán)重不足，燃?xì)饪諝獗壤饾u失調(diào)，而相對較高的燃?xì)饬渴筃Ox的排放濃度持續(xù)上升，嚴(yán)重短缺的空氣造成氧含量急劇下降，最終導(dǎo)致大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大緩慢降低。相反，紅外線燃?xì)庠钣捎谌紵髅姘鍙闹車@取的二次空氣量充足，隨著灶前壓力的增大，氧氣排放濃度下降較緩，使得NOx的排放濃度的增大速率大于氧氣排放濃度的下降速率，所以紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有增大的趨勢。同時，可以看出大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度始終比紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度高，這是因為4.2kW的大氣式燃?xì)庠畋?.8kW的紅外線燃?xì)庠顕娮炜趶酱螅瑔挝粫r間內(nèi)的燃?xì)饬髁看?，燃?xì)獾慕^對燃燒溫度高，所以大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度始終比紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度高。
此外，從圖3中可以明顯的看出大氣式燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大，而紅外線燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加基本不變。這也是因為大氣式燃?xì)庠钤谙鄬^高的灶前壓力下與空氣的預(yù)混不充分造成的。灶前壓力越高，單位時間內(nèi)燃?xì)饬髁吭酱?，由于二次空氣補(bǔ)充有限，CO2的排放量受到限制，造成大氣式燃?xì)庠钊紵怀浞?，CO排放量迅速增大，因此CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大。而紅外線燃?xì)庠钊細(xì)馀c空氣混合均勻，CO排放量基本不變，CO2排放有略微增大，由于有效數(shù)字的關(guān)系，造成紅外線燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加顯示出表觀無影響的趨勢[3]。
2 結(jié)語
本文通過研究大氣式燃?xì)庠钆c紅外線燃?xì)庠钤谠钋皦毫εc環(huán)境風(fēng)速兩種因素下的燃燒煙氣和燃燒效率的變化趨勢，對比兩種燃?xì)庠钤谙嗤囼炓蛩叵碌膶嶒灲Y(jié)果得出以下結(jié)論：（1）隨著灶前壓力的增大，大氣式燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO其濃度呈指數(shù)函數(shù)遞增，在4000Pa的灶前壓力下CO排放濃度高達(dá)494PPM，而紅外線燃?xì)庠町a(chǎn)生的CO保持基本不變。（2）大氣式燃?xì)庠钆c紅外線燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO2隨灶前壓力的增大而增大。（3）大氣式燃?xì)庠钆c紅外線燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox的排放濃度均隨著灶前壓力的增加而增大，而兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠴2排放的濃度均隨著灶前壓力的增大而減小。（4）大氣式燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大，而紅外線燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加基本不變。（5）當(dāng)灶前壓力大于3000Pa時，大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢降低的趨勢，在灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度下降到0.010%，紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢增大的趨勢，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度提高到0.005%。
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隨著人們生活水平的改善，家用燃?xì)庠罹咭呀?jīng)走進(jìn)千家萬戶。燃?xì)庠罹叩钠占胺奖懔巳藗兩畹耐瑫r，對大氣造成的污染，擺在了科研人員的面前，如何生產(chǎn)出高效節(jié)能的產(chǎn)品越來越受到企業(yè)和社會的重視。紅外線燃?xì)庠钶^好的解決了這個問題，本文將通過對紅外線燃?xì)庠畹娜紵^程進(jìn)行分析，研究不同灶前壓力下大氣式燃?xì)庠詈图t外線燃?xì)庠钤跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃燒的煙氣排放的差別。
1 灶前壓力對燃燒器煙氣排放的影響
圖1是兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠧O和CO2排放濃度隨灶前壓力變化的示意圖（三角折線表示大氣式燃?xì)庠睿粓A形折線表示紅外線燃?xì)庠?；黑線表示CO排放濃度；紅線表示CO2排放濃度）?？梢钥闯?，隨著灶前壓力的增大，大氣式燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO濃度呈指數(shù)函數(shù)遞增，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，CO排放濃度高達(dá)494PPM；而CO2排放濃度隨灶前壓力以正比函數(shù)遞增，在4000Pa的灶前壓力下CO2排放濃度達(dá)10.38%。相比大氣式燃?xì)庠?，紅外線燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO隨著灶前壓力的增大基本不變，始終維持在14PPM，其燃燒產(chǎn)生的CO2隨灶前壓力的變化與大氣式燃?xì)庠铑愃疲?000Pa的灶前壓力下CO2濃度達(dá)到9.78%。這是因為隨著灶前壓力的增大，大氣式燃?xì)庠钪腥細(xì)馀c空氣的預(yù)混效果相比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（2000Pa）產(chǎn)生偏差，隨著灶前壓力的增大，燃?xì)馀c空氣比例嚴(yán)重失衡，最終造成大氣式燃?xì)庠钤?000Pa以上的灶前壓力下發(fā)生惡性燃燒，CO濃度由83PPM迅速遞增到494PPM。而紅外線燃?xì)庠钣捎谌紵鲀?nèi)部分布大量的微孔，使得燃?xì)馀c空氣不管在多大的灶前壓力下均能得到很好的效果[1]，雖然由噴嘴引入的一次空氣量與大氣式燃?xì)庠畈畈欢?，但在燃燒器表面大量的微孔使得二次空氣的補(bǔ)充更加均勻，并且由于紅外燃?xì)庠畹臒o焰燃燒技術(shù)造成熱氣流是發(fā)散式的，冷空氣從四周引入，達(dá)到了非常好的二次預(yù)混效果，而大氣式燃?xì)庠畹臒釤煔庾韵露吓欧牛淇諝庵荒芘c邊緣的噴火孔有很好的預(yù)混效果，內(nèi)部火孔附近二次空氣量極少，燃燒不充分。此外，大氣式燃?xì)庠詈图t外線燃?xì)庠頒O2排放均隨著灶前壓力的增大而增大，這是因為隨著灶前壓力的增大，單位時間內(nèi)的燃?xì)夂臍饬恳搽S著增大，自然造成CO2的排放量增大。因此紅外線燃?xì)庠钕啾却髿馐饺細(xì)庠钤谠钋皦毫Φ淖兓聼煔馀欧啪哂懈玫姆€(wěn)定性。
圖1 灶前壓力對燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠧O和CO2排放濃度的影響
圖2是兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox和O2排放濃度隨灶前壓力變化的折線圖（三角折線表示大氣式燃?xì)庠睿粓A形折線表示紅外線燃?xì)庠?；黑線表示O2排放濃度；紅線表示NOx排放濃度）。從圖中可以看出，兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox的排放濃度均隨著灶前壓力的增加而增大，兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠴2排放的濃度均隨著灶前壓力的增大而減小。這是因為隨著灶前壓力的增大，單位時間內(nèi)的燃?xì)夂臍饬恳搽S著增大，因此單位時間的耗氧量也隨著增大，這就造成煙氣排放中O2濃度的降低；同時，隨著單位時間內(nèi)的燃?xì)夂臍饬康脑龃?，單位時間內(nèi)的燃?xì)鉄嶂堤岣?，燃?xì)獾慕^對燃燒溫度也隨之提高，而NOx排放濃度的變化正是反映燃燒溫度的變化，絕對燃燒溫度越高NOx排放濃度。實驗已證明，NOx的生成機(jī)理包含三個方面：①熱力型；②快速型；③燃料型。熱力型NOx的生成主要是由助燃空氣引入的氮?dú)庠?800K以上被氧化生成，它是由原蘇聯(lián)蘇聯(lián)科學(xué)家側(cè)耳多維奇提出的[2]。
快速型NOx生成機(jī)理是由于碳?xì)浠衔镌谌紵龝r能夠分解出大量的CH、CH2和CH3等基團(tuán)，能夠破壞氮?dú)獾姆肿渔I，在高溫條件下，分解出的CHi等自由基與與氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN、NH、N等，其中HCN是快速型NOx生成的最重要的中間產(chǎn)物，能在火焰里面快速生成NOx。
燃料型氮氧化物是由燃料中所含的氮元素在燃料燃燒時形成的，燃料中含氮的有機(jī)化合物通過熱裂解，生成HCN、NHi、及CN等中間產(chǎn)物，最終氧化成NOx。其中，溫度對燃料型NOx的影響并不明顯，主要是由于燃料中含氮化合物的熱裂解溫度并不高，在600-800℃內(nèi)，就能生成燃料型NOx。
同時，由于燃?xì)庵械牡繕O少，燃燒時幾乎沒有燃料型氮氧化物產(chǎn)生，而快速型氮氧化物的生成量比熱力型氮氧化物小一個數(shù)量級，因此控制煙氣中的氮氧化物排放量主要是控制熱力型氮氧化物的產(chǎn)生，1800K是熱力型NOx生成的關(guān)鍵溫度點，低于1800K時，NOx的生成量很少，當(dāng)溫度超過1800K時，NOx的生成速率急劇增大，為指數(shù)關(guān)系，溫度每升高100℃，反應(yīng)速率增大6-7倍。
圖2 灶前壓力對燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox和O2排放濃度的影響
圖3是灶前壓力對兩種燃?xì)庠钊紵龝rCO(α=1)和NOx(α=1)排放濃度的影響（三角折線表示大氣式燃?xì)庠睿粓A形折線表示紅外線燃?xì)庠?；黑線表示CO(α=1)排放濃度；紅線表示NOx(α=1)排放濃度）。圖3是由圖1和圖2根據(jù)GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹邩?biāo)準(zhǔn)通過以下公式轉(zhuǎn)化而來。
圖3 灶前壓力對燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠧O(α=1)和NOx(α=1)排放濃度的影響
從圖3中可以看出，大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢降低的趨勢，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度下降到0.010%，紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢增大的趨勢，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度提高到0.005%。對于大氣式燃?xì)庠?，由于燃燒器表面從周圍獲取的二次空氣量有限，隨著灶前壓力的增大，空氣需求量嚴(yán)重不足，燃?xì)饪諝獗壤饾u失調(diào)，而相對較高的燃?xì)饬渴筃Ox的排放濃度持續(xù)上升，嚴(yán)重短缺的空氣造成氧含量急劇下降，最終導(dǎo)致大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大緩慢降低。相反，紅外線燃?xì)庠钣捎谌紵髅姘鍙闹車@取的二次空氣量充足，隨著灶前壓力的增大，氧氣排放濃度下降較緩，使得NOx的排放濃度的增大速率大于氧氣排放濃度的下降速率，所以紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有增大的趨勢。同時，可以看出大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度始終比紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度高，這是因為4.2kW的大氣式燃?xì)庠畋?.8kW的紅外線燃?xì)庠顕娮炜趶酱螅瑔挝粫r間內(nèi)的燃?xì)饬髁看?，燃?xì)獾慕^對燃燒溫度高，所以大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度始終比紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度高。
此外，從圖3中可以明顯的看出大氣式燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大，而紅外線燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加基本不變。這也是因為大氣式燃?xì)庠钤谙鄬^高的灶前壓力下與空氣的預(yù)混不充分造成的。灶前壓力越高，單位時間內(nèi)燃?xì)饬髁吭酱?，由于二次空氣補(bǔ)充有限，CO2的排放量受到限制，造成大氣式燃?xì)庠钊紵怀浞?，CO排放量迅速增大，因此CO(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大。而紅外線燃?xì)庠钊細(xì)馀c空氣混合均勻，CO排放量基本不變，CO2排放有略微增大，由于有效數(shù)字的關(guān)系，造成紅外線燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加顯示出表觀無影響的趨勢[3]。
2 結(jié)語
本文通過研究大氣式燃?xì)庠钆c紅外線燃?xì)庠钤谠钋皦毫εc環(huán)境風(fēng)速兩種因素下的燃燒煙氣和燃燒效率的變化趨勢，對比兩種燃?xì)庠钤谙嗤囼炓蛩叵碌膶嶒灲Y(jié)果得出以下結(jié)論：（1）隨著灶前壓力的增大，大氣式燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO其濃度呈指數(shù)函數(shù)遞增，在4000Pa的灶前壓力下CO排放濃度高達(dá)494PPM，而紅外線燃?xì)庠町a(chǎn)生的CO保持基本不變。（2）大氣式燃?xì)庠钆c紅外線燃?xì)庠钊紵a(chǎn)生的CO2隨灶前壓力的增大而增大。（3）大氣式燃?xì)庠钆c紅外線燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠳Ox的排放濃度均隨著灶前壓力的增加而增大，而兩種燃?xì)庠钊紵裏煔庵蠴2排放的濃度均隨著灶前壓力的增大而減小。（4）大氣式燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增大而增大，而紅外線燃?xì)庠頒O(α=1)的排放濃度隨灶前壓力的增加基本不變。（5）當(dāng)灶前壓力大于3000Pa時，大氣式燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢降低的趨勢，在灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度下降到0.010%，紅外線燃?xì)庠頝Ox(α=1)排放濃度隨灶前壓力的增大有緩慢增大的趨勢，當(dāng)灶前壓力達(dá)到4000Pa時，NOx(α=1)排放濃度提高到0.005%。
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