본 연구에서는 기존에 중유를 사용하는 상용보일러에서 오리멀젼 연료의 활용 가능성을 평가하기 위하여 소형 보일러에서 오리멀젼 연료의 기본적인 연소특성을 실험과 더불어 수치해석하였다. 오리멀젼의 주요 연소특성은 최고 화염온도가 버너로부터 $20{\sim}30\;cm 뒤쪽에 나타나는 화염지연현상과 비교적 넓게 분포하는 화염의 형태로 이는 오리멀젼 제조과정에서 포함된 높은 수분함량과 미세한 수부액적으로 이한 미소폭발 현상에 기인한다. 오리멀젼 연료의 연소특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 연료공급량, 무화유체의 종류, 그리고 계산에 사용된 현상학적인 복사모델과 같은 중요한 설계 및 운전인자에 대한 일련의 변수연구를 수행하였다. 연소특성인 최고 화염온도 지연현상은 연료공급 속도를 조절함으로써 어느 정도 저감시킬 수 있었으며 연소생성물로 CO와 $SO_2$ 그리고 NO가스의 연소로 내 발생특성을 평가하였다. 또한 무화용 유체로 증기를 사용하였을 경우 로내 연소상태는 무화용 공기에 비해 안정화 되고 고온영역이 감소되는 결과를 보였다. 일반적으로 본 연구에서 수행한 실험조건에 대한 수치해석 결과는 물리적으로 일관성 있는 결과를 제시하였으나 오염물질 생성농도에 대한 보다 정확한 예측을 위해서는 추후 현상학적인 모델개선을 필요로 한다. 결국 본 연구로부터 개발된 컴퓨터 프로그램은 기존의 상용화 중유 보일러에서 오리멀젼 연료로 대체 사용시 개선사항 및 유용한 운전 자료를 제공할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기존에 중유를 사용하는 상용보일러에서 오리멀젼 연료의 활용 가능성을 평가하기 위하여 소형 보일러에서 오리멀젼 연료의 기본적인 연소특성을 실험과 더불어 수치해석하였다. 오리멀젼의 주요 연소특성은 최고 화염온도가 버너로부터 $20{\sim}30\;cm 뒤쪽에 나타나는 화염지연현상과 비교적 넓게 분포하는 화염의 형태로 이는 오리멀젼 제조과정에서 포함된 높은 수분함량과 미세한 수부액적으로 이한 미소폭발 현상에 기인한다. 오리멀젼 연료의 연소특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 연료공급량, 무화유체의 종류, 그리고 계산에 사용된 현상학적인 복사모델과 같은 중요한 설계 및 운전인자에 대한 일련의 변수연구를 수행하였다. 연소특성인 최고 화염온도 지연현상은 연료공급 속도를 조절함으로써 어느 정도 저감시킬 수 있었으며 연소생성물로 CO와 $SO_2$ 그리고 NO가스의 연소로 내 발생특성을 평가하였다. 또한 무화용 유체로 증기를 사용하였을 경우 로내 연소상태는 무화용 공기에 비해 안정화 되고 고온영역이 감소되는 결과를 보였다. 일반적으로 본 연구에서 수행한 실험조건에 대한 수치해석 결과는 물리적으로 일관성 있는 결과를 제시하였으나 오염물질 생성농도에 대한 보다 정확한 예측을 위해서는 추후 현상학적인 모델개선을 필요로 한다. 결국 본 연구로부터 개발된 컴퓨터 프로그램은 기존의 상용화 중유 보일러에서 오리멀젼 연료로 대체 사용시 개선사항 및 유용한 운전 자료를 제공할 것으로 판단된다.
In order to examine the application feasibility of Orimulsion fuel in a commercial boiler using heavy fuel oil, a numerical and experimental research efforts have been made especially to figure out the fundamental combustion characteristics of this fuel in a small-scale boiler. One of the notable co...
In order to examine the application feasibility of Orimulsion fuel in a commercial boiler using heavy fuel oil, a numerical and experimental research efforts have been made especially to figure out the fundamental combustion characteristics of this fuel in a small-scale boiler. One of the notable combustion features of Orimulsion fuel is the delayed appearance of flame location with the flame shape of rather broad distribution, which is found experimentally and confirmed by numerical calculation. This kind of flame characteristics is considered due to the high moisture content included inherently in the process of Orimulsion manufacture together with micro-explosion by the existence of fine water droplets. In order to investigate the effect on the combustion characteristics of Orimulsion, a series of parametric investigation have been made in terms of important design and operational variables such as injected amount of fuel, types of atomization fluid, and phonemenological radiation model employed in the calculation, etc. The delayed feature of peak flame can be alleviated by the adjustment of the flow rate of injected fuel and the generating features of CO, $SO_2$ and NO gases are also evaluated in the boiler. When the steam injection as atomizing fluid is used, the combustion process is stabilized with the reduced region of high flame temperature. In general, the calculation results are physically acceptable and consistent but some refinements of phenomenological models are necessary for the better resolution of pollutant formation. From the results of this small-scale Orimulsion boiler, it is believed that a number of useful information are obtained with the working computer program for the near future application of Orimulsion fuel to a conventional boiler.
In order to examine the application feasibility of Orimulsion fuel in a commercial boiler using heavy fuel oil, a numerical and experimental research efforts have been made especially to figure out the fundamental combustion characteristics of this fuel in a small-scale boiler. One of the notable combustion features of Orimulsion fuel is the delayed appearance of flame location with the flame shape of rather broad distribution, which is found experimentally and confirmed by numerical calculation. This kind of flame characteristics is considered due to the high moisture content included inherently in the process of Orimulsion manufacture together with micro-explosion by the existence of fine water droplets. In order to investigate the effect on the combustion characteristics of Orimulsion, a series of parametric investigation have been made in terms of important design and operational variables such as injected amount of fuel, types of atomization fluid, and phonemenological radiation model employed in the calculation, etc. The delayed feature of peak flame can be alleviated by the adjustment of the flow rate of injected fuel and the generating features of CO, $SO_2$ and NO gases are also evaluated in the boiler. When the steam injection as atomizing fluid is used, the combustion process is stabilized with the reduced region of high flame temperature. In general, the calculation results are physically acceptable and consistent but some refinements of phenomenological models are necessary for the better resolution of pollutant formation. From the results of this small-scale Orimulsion boiler, it is believed that a number of useful information are obtained with the working computer program for the near future application of Orimulsion fuel to a conventional boiler.
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문제 정의
Jay Gore는 층류 화염 계산에서 C6와 H20의 복사가 관여했을 때 최고 화염 온도가 대략 50K까지 감소한다고 보고하고 있다.“) 그러므로 본 연구에서는 화염 온도와 Plank 흡수 계수 그리고 화학종 사이의 내부적인 상관관계를 복사에 대한 고도 근사를 위해 고려하였다. H2O, CO2와 CO 가스에 대한 Plank 평균 흡수계수는 300-2500K 사이에서 온도의 함수로 나타나며 이 범위 밖에서는 부정확한 값을 나타낸다.
결국 오리멀젼을 화석연료를 태우는 기존의 보일러에 적용하기 위해서는 오리멀젼의 연소 특성을 실험과 수치해석을 통해 조직적으로 평가하여야 한다. 그러므로 본 연구에서는 오 리멀젼의 난류 다 상 연소반응을 위한 컴퓨터 모델을 개발하여 기존의 중유 보일러에서 중유에 대한 오리멀젼의 대체 가능성을 소형보일러 실험과 더불어 수치 해석적으로 오리 멀젼의 연소 특성을 평가하고자 한다.
와 NO와 같은 소량의 오염 물질에 대해서는 잘 예측하지 못하는 단점을 가지고 있다. 그러므로 S6와 NO의 생성반응에 대한 화학적 동력학을 난 류 연소 모델에 포함시켜 전체 반응속도는 연속적인 두 단계의 조화평균에 의해 계산된다고 가정하였다 SO2는 오리멀 젼에 함유된 황으로부터 대부분 생성되므로 fast chemistry 가정하여 식 (2) 의 난류 연소 모델을 사용하였으며 연소온도에 민감하게 반응하는 NO의 경우 Fuel NO와 Thermal NO에 대한 동력학을 모두 고려하였다. 이때 다 상의 오리멀젼 액적의 휘발화에 따른 연소지연 현상에 대한 영향을 SO2와 NO의 생성반응에 포함시키기 위해 실험값과 비교를 통해 경험 상수를 조정하였다“)
여기서 1는 연료의 단위 질량 당 화학 양론적인 산화제의 질 량분율을, m°x는 산화제의 질량 분율, 은 생성물의 질량분 율, 그리고 A는 Lockwood 등이 제시한 경험 상수이다. 예비연구에서 제안된 초기모델에서는 오리멀젼의 연소를 기본적으로 일단계 비가역반응으로 가정하였다. 그러나 본 연구에서는 오리멀젼 연소에 대한 불완전 중간생성물인 CO를 고려하여 이단계 연소반응으로 확장하였으며 이단계 연소 반응식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
오리 멀젼 연료의 연소반응에서 가연성 물질은 모두 CxHyQ (HQ)의 조성을 갖는 가스 상태의 연료로 휘 발화 된다고 가정하였다. 오리 멀젼의 연소반응은 연료의 화학 반응시간이 매우 빠르기 때문에 연료와 산화제가 혼합되면서 이와 동시에 연소가 이루어지므로 전체 반응속도는 일차적으로 난류 혼합 속도에 의해 영향을 받는다고 가정하였다.
오리 멀젼 연료의 연소반응에서 가연성 물질은 모두 CxHyQ (HQ)의 조성을 갖는 가스 상태의 연료로 휘 발화 된다고 가정하였다. 오리 멀젼의 연소반응은 연료의 화학 반응시간이 매우 빠르기 때문에 연료와 산화제가 혼합되면서 이와 동시에 연소가 이루어지므로 전체 반응속도는 일차적으로 난류 혼합 속도에 의해 영향을 받는다고 가정하였다. 이때 연료와 산 화제의 혼합시간은 난류에디의 붕괴속도인 k/e에 비례하며 Magnussen과 Hjertager가 제안한 난류 연소 모델을 사용하여 화학 반응속도와 혼합속도를 고려 하였다
5는 본 연구에서 고려한 3차원 축 대칭 형상의 소형 오리멀젼 보일러 도식도이다. 원통형 버너를 가진 3차원 장 방형 형상의 소각로는 동일한 면적을 가지는 3차원 축 대칭 형 상으로 가정하였다. 이는 IFRF(International Flame Research Foundation)나 기타 유수한 국제연구논문에서도 흔히 사용되는 방법으로 연소로 직경과 노즐 직경 사이의 큰 비율 차이로 인해 연소 현상에 나타나는 중요한 물리적 특성을 손상 시키지 않으며 3차원 수치 해석상에서 야기되는 불필요한 계산상의 어려움을 극복하기 위한 효율적인 방법의 하나로 선택하였다”)
각 검사 체적에 대한 이산화 방정식은 형식은 선형이나 내재된 비선형 특성으로 인해 Line-by-line TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm) 에 의해 반복 계산하여 해를 구하였으며 운동량 방정식에 나타나는 압력과 속도의 연계는 SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Consistent) 알고리즘을 사용하였다.” 본 연구에서는 난류 유동 및 연소반응에 대한 해석적인 해를 얻기 위해 자체 개발한 컴퓨터 프로그램을 사용하였다.
기존 상용화급 보일러에서 대체 연료로써 오리멀젼 연료의 사용 가능성을 평가하기 위해 소형 보일러에서의 연소 특성 실험과 더불어 수치 해석적 연구를 수행하였다. 개발된 컴퓨터 프로그램은 소형 보일러에서 측정된 온도와 co, so2, 그리고 NO와 같은 가스 농도와의 비교를 통해 성공적으로 검증하여 운전조건 변경에 따른 연소 현상을 예측하였다. 주요 연구 결과를 요약하여 나타내면 다음과 같다.
출구에서 계산된 평균 NO 농도는 181 ppm으로 실제 측정된 NO 농도인 200 ppm 와 유사한 결과를 나타내었다. 결국 본 연구에서 개발한 수치해석 모델은 연소조건 변화에 따른 대기오염물질인 CO, SO2와 NO 가스 발생량을 비교적 정확하게 예측하였다. 특히 CO와 NO 가스는 보일러에 형성된 화염 온도 조건과 밀접한 상관관계를 가진다.
1150K 이상의 온도에서 CO 종의 산화는 상대적으로 빠르므로 화학적 평형 상태로 접근한다고 모델화할 수 있다. 그러나 975- 1150K의 온도 범위에서 CO 산화는 느려지므로 제한속도 동 력학으로 모델화되어야 하며 975K 이하의 온도에서는 산소가 존재함에도 불구하고 CO 산화는 일어나지 않게 된다」2) 그러므로 본 연구에서는 Dryer와 Glassmann이 제안한 화학 평형 모델을 개선하여 온도에 의한 CO 산화 속도를 고려하여 계산하였다.。)
기존 상용화급 보일러에서 대체 연료로써 오리멀젼 연료의 사용 가능성을 평가하기 위해 소형 보일러에서의 연소 특성 실험과 더불어 수치 해석적 연구를 수행하였다. 개발된 컴퓨터 프로그램은 소형 보일러에서 측정된 온도와 co, so2, 그리고 NO와 같은 가스 농도와의 비교를 통해 성공적으로 검증하여 운전조건 변경에 따른 연소 현상을 예측하였다.
무화용 유체의 타입은 오리멀젼의 연소 특성에 영향을 주므로 보일러 내부 화염 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해 수치해석을 수행하였다. 연소실험에서는 무화용 공기를 대신 하여 스팀을 사용했을 경우 더욱 안정된 화염이 형성된 것을 관찰하였다.
그러나 무화용 공기압의 변동으로 인해 실험이 진행되는 동안 소형보일러에서 일정한 02 농도를 유지하기란 쉽지 않다. 배출가스 조성은 실험 기간 동안 최대한 일정한 농도를 유지하도록 한 후에 측정하였으며 추후에 본 연구에서 개발한 연소반응 수치해석모델의 연소 반응생성물인 CO, SO2, 그리고 NO 발생량을 검증하는데 사용하였다.
버너로 공급되는 연료와 무화용 공기 및 스팀 주입속도에 따른 연소조건을 평가하기 위해 유량계와 온도계를 설치하여 기록하였으며 버너건 옆과 보일러 중간 지점에 관측 창을 설치하여 연소상태를 육안으로 관측할 수 있도록 하였다. 버너로 공급되는 오리멀젼은 연소효율의 증가를 위해 초음파 가속기에 의해 미립화하였다.
버너로 공급되는 연료와 무화용 공기 및 스팀 주입속도에 따른 연소조건을 평가하기 위해 유량계와 온도계를 설치하여 기록하였으며 버너건 옆과 보일러 중간 지점에 관측 창을 설치하여 연소상태를 육안으로 관측할 수 있도록 하였다. 버너로 공급되는 오리멀젼은 연소효율의 증가를 위해 초음파 가속기에 의해 미립화하였다.
연소용 공기는 완전연소를 위한 최적의 02 농도를 공급하기 위해 계산된 이론공기량과 굴뚝에서 측정된 02 농도로부터 판단하여 조절하였다. 그러나 무화용 공기압의 변동으로 인해 실험이 진행되는 동안 소형보일러에서 일정한 02 농도를 유지하기란 쉽지 않다.
오리멀젼 연소 시 배출가스 조성과 온도는 연소조건 및 버 너설계인자에 따라 측정되었으며 이는 본 연료의 연소 특성과 보일러 효율을 평가하는데 있어 매우 유용한 자료로 이용되었다. 오리멀젼 연료의 최적 운전조건 및 버너 설계자료를 도출하기 위해 매 시험마다 연소조건을 조절하여 실험하였으며 그다음 실험에 최적의 조건을 적용하여 연소변화를 관찰하였다. 보일러 내부 온도는 Fig.
그러므로 S6와 NO의 생성반응에 대한 화학적 동력학을 난 류 연소 모델에 포함시켜 전체 반응속도는 연속적인 두 단계의 조화평균에 의해 계산된다고 가정하였다 SO2는 오리멀 젼에 함유된 황으로부터 대부분 생성되므로 fast chemistry 가정하여 식 (2) 의 난류 연소 모델을 사용하였으며 연소온도에 민감하게 반응하는 NO의 경우 Fuel NO와 Thermal NO에 대한 동력학을 모두 고려하였다. 이때 다 상의 오리멀젼 액적의 휘발화에 따른 연소지연 현상에 대한 영향을 SO2와 NO의 생성반응에 포함시키기 위해 실험값과 비교를 통해 경험 상수를 조정하였다“)
오리멀젼의 연소 특성을 평가하기 위해 일련의 연소실험이 한국에너지 기술연구소에서 수행되었다. 본 연구에서 사용한 100 L/hr 소형보일러는 오리멀젼과 중유를 동시에 사용할 수 있는 실험용 스케일의 보일러로 자체 개발한 저 NO 버너를 가지고 있고 무화용 유체로 공기와 스팀을 선택적으로 사용할 수 있다. Fig.
이론/모형
식 (1) 과 같이 표현된 2차 편미분 지배방정식의 해를 얻기 위해서 검사 체적에 기초한 Patankar의 유한차분법과 대류 항의 선형화를 위해 power law scheme을 사용하여 이산화 방정식을 유도하였다. 각 검사 체적에 대한 이산화 방정식은 형식은 선형이나 내재된 비선형 특성으로 인해 Line-by-line TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm) 에 의해 반복 계산하여 해를 구하였으며 운동량 방정식에 나타나는 압력과 속도의 연계는 SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Consistent) 알고리즘을 사용하였다.” 본 연구에서는 난류 유동 및 연소반응에 대한 해석적인 해를 얻기 위해 자체 개발한 컴퓨터 프로그램을 사용하였다.
무화된 오리멀젼의 휘발 가스, NO와 S6의 난류 반응에 대한 기상지배방정식은 Eulerian 방법을, 그리고 오리멀젼 액적의 거동에 따른 휘 발화 과정은 Lagrangian 방법을 사용하여 계산하였다. 기상 상태에 대한 질량, 운동량, 에너지, 난류 및 화학종 농도 등에 대한 지배방정식은 다음과 같이 표현된다.
식 (1) 과 같이 표현된 2차 편미분 지배방정식의 해를 얻기 위해서 검사 체적에 기초한 Patankar의 유한차분법과 대류 항의 선형화를 위해 power law scheme을 사용하여 이산화 방정식을 유도하였다. 각 검사 체적에 대한 이산화 방정식은 형식은 선형이나 내재된 비선형 특성으로 인해 Line-by-line TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm) 에 의해 반복 계산하여 해를 구하였으며 운동량 방정식에 나타나는 압력과 속도의 연계는 SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations Consistent) 알고리즘을 사용하였다.
오리 멀젼의 연소반응은 연료의 화학 반응시간이 매우 빠르기 때문에 연료와 산화제가 혼합되면서 이와 동시에 연소가 이루어지므로 전체 반응속도는 일차적으로 난류 혼합 속도에 의해 영향을 받는다고 가정하였다. 이때 연료와 산 화제의 혼합시간은 난류에디의 붕괴속도인 k/e에 비례하며 Magnussen과 Hjertager가 제안한 난류 연소 모델을 사용하여 화학 반응속도와 혼합속도를 고려 하였다
성능/효과
결국 감소된 고온의 화염 영역은 무화용 공기에 비해 출구에서 1/2 정도의 NO를 생성하였으며 NO 발생량을 감소시키는 역할을 하였다. 또한 무화용 공기에 비해 출구에서 계산된 낮은 CO 농도는 열용량이 공기에 비해 큰 스팀에 의해 안정적인 화염이 형성되어 불완전 연소물질인 미 연탄 소물질의 생성을 최소화한 것으로 판단되었다.
오리멀젼 연료의 공급속도를 80 L/hi에서 60 L/hr로 감소시킨 경우 수치 해석 결과와 더불어 실험에서 관측된 최고 화염 온도 지연 현상 은 어느 정도 감소하였으나 출구에서 측정된 화염 온도는 연료공급량 감소에도 불구하고 큰 차이를 나타내지 않았다. 또한 본 연구에서 평가된 실험조건에서 무화용 유체로 공기를 대신하여 스팀을 사용한 경우 화염이 비교적 안정적으로 형성되었으며 동시에 로내 온도 저감효과로 인해 NO 발생량을 저감시킬 수 있었다.
3. 화염열복사 모델
모든 화염을 강력하게 복사에 참여하는 화염으로 설명하는 것은 적절하지 않으나 화염으로부터 열복사가 NO 생성 속 도에 영향을 줄 정도로 충분히 국부 온도를 낮출 수 있다
. 기존의 세부적인 복사 열전달 모델을 다 상의 난류 연소반응 프로그램에 포함시키는 것은 계산상의 작업을 가증시킨다.
오리멀젼은 다량의 수분을 함유하고 있으므로 최고 화염 온도가 버너로부터 약간 떨어진 지점에서 나타났으나 연료 공급 속도가 감소됨에 따라 버너로부터 최고 화염 온도가 위치한 지점까지의 거리는 감소되었다. CO 가스의 경우 화염 근 처에서 최고농도를 나타내다가 연소가 진행되면서 C6 가스로 완전 연소한 반면 SO? 와 NO 가스의 경우는 연소가 진행됨에 따라 점차적으로 증가하여 보일러 출구에서 1700 ppm 과 200ppm 정도의 농도를 각각 나타내었다.
6(c)는 S6 농도를 비교하여 나타낸 것으로 오리멀젼의 연소가 진행됨에 따라 연료에 포함된 황이 산화하여 SO를 형성하였으며 출구에서 대략 1700 ppm 의 농도를 나타내었다. 반면 NO 가스의 경우 SO? 와 달리 실험과 계산 결과에서 모두 비교적 편평한 생성 곡선을 나타내었다. 이는 화염 온도에 민감한 NO 가스가 고온의 화염이 위치한 버너 근처에서 생성된 후 출구로 갈수록 온도가 감소됨 에 따라 추가적으로 NO가 더 생성되지 않고 일정한 농도를 유지한 것으로 판단된다.
또한 60 L/hr에서 50 L/hr로 연료 공급량이 감소 된 경우 버너 근처에서는 온도 차이를 나타내지 않다가 출구에서 약간의 차이를 보였다. 이와 같이 실험적 현상과 계산 결과의 차이에 대한 정확한 해석은 현 상태에서 쉽지 않으나 실험 수행 시 순간적으로 변동되는 연소조건과 보일러 내부에서 일어나는 복잡한 열전달 현상에 기인한다고 판단된다.
후속연구
특히 연료공급량에 따른 화염 온도의 차이는 출구로 갈수록 점차적으로 감소한 반면 일정한 화염 열복사를 가정 한 계산 결과에서 는 버 너근처 를 제 외 하고는 보일러 출구 방향으로 동일한 온도 차이를 나타내었다. 결국 Fig. 8의 결과로부터 복잡한 열전달 현상이 발생하고 있는 보일러에서 오리멀젼 연료의 공급량을 최소로 하면서 최대의 열효율을 얻을 수 있는 보일러 운전방안이 강구될 수 있을 것으로 사료된다.
발전소나 산업용 보일러의 연료로 오리멀젼은 앞서 언급한 장점과 다른 화석연료와 비교할 때 대기오염물질 배출한다는 점에서 단점을 가지고 있다. 그러나 에멀젼화된 연료인 오리멀젼은 물의 미소 폭발 현상(micro-explosion)으로 비교적 낮은 CO, NO 그리고 미연 탄소를 발생할 것으로 예측되나 청청연료의 입자성 물질보다 작은 분진을 발생할 것으로 기대된다. 게다가 연료의 수분함량 증가와 열 발생 특성의 변화로 인해 보일러 열효율이 낮아질 것으로 보인다.
이와 같이 소형 보일러에서 수치해석을 이용한 오리멀젼 의 연소 특성 연구는 기존의 상용화급 중유 보일러에서 오리 멀젼 연료로 대체 사용 시 개선사항 및 유용한 운전 자료를 제공할 것으로 판단되었으며 이를 위하여서는 다 상 난류 반 응장의 복잡한 현상학적인 모델 개선과 조직적인 변수연구가 향후 필요할 것으로 판단되었다.
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