推進(jìn)沖天爐消煙凈化環(huán)保節(jié)能技術(shù)的發(fā)展

尤丙夫，姜 南，王俊杰

（無(wú)錫市西漳環(huán)保設(shè)備有限公司，江蘇無(wú)錫 214000）

1 我國(guó)鑄造業(yè)發(fā)展和環(huán)境污染狀況

1.1 鑄造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

我國(guó)鑄造業(yè)發(fā)展與資源環(huán)境約束的矛盾日益突出，環(huán)境保護(hù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不但與我們提出的鑄造工業(yè)技術(shù)與國(guó)際接軌發(fā)展及和諧社會(huì)建設(shè)的目標(biāo)不相適應(yīng)，而且也為鑄造行業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來(lái)不利影響。鑄件產(chǎn)量在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下，2001年我國(guó)鑄件產(chǎn)量1489萬(wàn)t，2012年達(dá)到4250萬(wàn)t，十年以來(lái)鑄件總產(chǎn)量增加了2.85倍，連續(xù)12年雄踞全球之首；2001年我國(guó)汽車(chē)總產(chǎn)量還只有233.4萬(wàn)輛，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，我國(guó)的汽車(chē)年產(chǎn)量已接近2000萬(wàn)輛（2012年生產(chǎn)：1927.2萬(wàn)輛），加劇了鑄件生產(chǎn)能力的快速提升和鑄造業(yè)環(huán)境保護(hù)嚴(yán)重滯后的矛盾。產(chǎn)量增幅及鑄件數(shù)量、比例，詳見(jiàn)圖1及圖2.

圖1 2000年-2012年中國(guó)鑄件產(chǎn)量變化

1.2 鑄造業(yè)的大氣污染問(wèn)題

圖2 2011年各類(lèi)行業(yè)鑄件需求比例

我國(guó)現(xiàn)有鑄造廠大約3.3萬(wàn)多家，除極少數(shù)單位已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平外，大多數(shù)鑄造廠規(guī)模小、生產(chǎn)工藝設(shè)備自動(dòng)化程度低，存在高能耗、高污染、資源浪費(fèi)的嚴(yán)重問(wèn)題，是一個(gè)污染物排放、資源消耗十分嚴(yán)重的行業(yè)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家鑄造廠用于環(huán)境保護(hù)的投資占整個(gè)鑄造廠設(shè)備投資的20%～30%，而我國(guó)只占約5%～8%，有相當(dāng)多的企業(yè)甚至不足3%。據(jù)測(cè)算，以氣態(tài)污染物為例，每年排放廢氣約380億m3左右，粉塵排放約190萬(wàn) t。因?yàn)楣に嚨牟顒e，鑄造行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程的煙氣成份非常復(fù)雜，除各類(lèi)粉塵外，另含有二氧化碳、一氧化碳、硫化物、氮氧化物、苯胺等化學(xué)類(lèi)煙塵等，總體來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)鑄造行業(yè)大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程煙氣排放難以穩(wěn)定地達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，污染十分嚴(yán)重。因此，行業(yè)除了應(yīng)加大結(jié)構(gòu)調(diào)整力度外，還要依靠科技、創(chuàng)新機(jī)制，大力發(fā)展環(huán)境科學(xué)技術(shù)，以技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)環(huán)保工作的進(jìn)步[2，3]。大氣污染物的控制與治理，已是關(guān)乎到鑄造行業(yè)發(fā)展的生死存亡的重大問(wèn)題。

2 國(guó)內(nèi)外環(huán)保除塵發(fā)展概述

2.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

為了保護(hù)環(huán)境，國(guó)家對(duì)生產(chǎn)企業(yè)排放煙塵、廢氣有嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目前，國(guó)內(nèi)、外的生產(chǎn)企業(yè)大多采用布袋除塵器或靜電除塵器等設(shè)備除塵。國(guó)內(nèi)為鑄造行業(yè)配套使用的主要采用脈沖類(lèi)袋式除塵器，其特點(diǎn)與適應(yīng)范圍較靜電除塵、旋風(fēng)除塵、濕法除塵應(yīng)用廣泛，此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清灰效果好、運(yùn)行阻力低，能夠達(dá)到和滿(mǎn)足現(xiàn)在的國(guó)家煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)；但該類(lèi)除塵器占地面積大，運(yùn)行維護(hù)成本較高。實(shí)際應(yīng)用表明：這些設(shè)備受使用條件的限制，對(duì)于粒徑≤2.5 μm（PM2.5）的細(xì)微粉塵無(wú)法完成微過(guò)濾工作（由于布袋的過(guò)濾孔徑在10 μm以上）。而集合超效除塵、超長(zhǎng)壽命的，過(guò)濾孔徑在0.03 μm～0.3 μm的除塵新技術(shù)革命的代表—塑燒板濾芯除塵器在鑄造行業(yè)的開(kāi)發(fā)利用基本上還處于開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。

2.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)

近期國(guó)家出臺(tái)了治理環(huán)境的一系列相關(guān)政策和法規(guī)。

1）2013 年國(guó)家工業(yè)和信息化部正式頒布《鑄造行業(yè)準(zhǔn)入條件》，在2013年的首批申報(bào)的企業(yè)中，約1/3沒(méi)有通過(guò)準(zhǔn)入的審核，不符合的主要原因集中表現(xiàn)在：環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果不符合環(huán)保法規(guī)GB7078-1996《工業(yè)爐窯大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》；GB1327-2001《鍋爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》；GB/T28001-2011《職業(yè)健康安全管理體系的要求》及GB14554-1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)的要求，不符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策。

2）北京“兩會(huì)”期間多名委員提案在“關(guān)于提高工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、加大環(huán)保管理力度和執(zhí)法力度，保護(hù)大氣環(huán)境的建議中強(qiáng)調(diào)，要加大環(huán)?？萍纪度?，尤其要加大大氣污染治理的重大裝備研發(fā)力度。

3）我國(guó)《十二五規(guī)劃》中已明確了節(jié)能產(chǎn)業(yè)、資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展，呈現(xiàn)出了：替代性、創(chuàng)造性、低碳性、平臺(tái)性和惠普性的五個(gè)特點(diǎn)，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量。這就為環(huán)保技術(shù)和裝備，環(huán)保節(jié)能指明了方向。

4）國(guó)家環(huán)保深入推進(jìn)實(shí)施《試點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，采取綜合治理PM2.5，確保2015年重點(diǎn)區(qū)域PM2.5深度下降5%。京、津、冀、珠三角、長(zhǎng)三角區(qū)域深度下降6%.最近新頒布的《環(huán)境空氣細(xì)顆粒物污染防治技術(shù)政策》提出了全面防治PM2.5的總政策，包括工業(yè)污染源治理、移動(dòng)污染源治理、農(nóng)業(yè)污染源治理、其他污染源治理，以及污染的預(yù)警和應(yīng)急措施。

5）與此相應(yīng)的是工信部出臺(tái)了《工業(yè)和信息化部關(guān)于金屬工業(yè)節(jié)能減排的指導(dǎo)意見(jiàn)》，文中指出到2015年每萬(wàn)元工業(yè)增加值耗電比2010年降低18%，節(jié)能標(biāo)煤750萬(wàn)t，二氧化硫排放總量減少10%，污染物排放總量和排放濃度全面達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

所以從2013年以來(lái)，環(huán)保節(jié)能已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重中之重，成為改善民生、發(fā)展經(jīng)濟(jì)的核心內(nèi)容。作為高能耗、重污染的鑄造、機(jī)械、冶金、貴金屬回收、鋼鐵、電力、建材等行業(yè)，加快治理PM2.5成為當(dāng)務(wù)之急，迫在眉睫。

我公司根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和國(guó)際技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，多年來(lái)致力于對(duì)鑄造行業(yè)通風(fēng)除塵技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，針對(duì)鑄造各工部通風(fēng)除塵的不同工藝特點(diǎn)，完成了：沖天爐消煙除塵脫硫凈化系統(tǒng)、樹(shù)脂砂造型澆注和冷卻段的煙氣除塵裝置、中頻感應(yīng)電爐煙塵治理工藝及裝置、鑄件清理打磨隔離間通風(fēng)除塵、砂處理砂溫調(diào)節(jié)裝置煙氣加熱噴粉保溫技術(shù)等典型工程設(shè)計(jì)應(yīng)用方案，率先在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)袋式除塵器對(duì)于粒徑≤2.5 μm（PM2.5）的細(xì)微粉塵除塵效果不夠理想、占地面積大、設(shè)備復(fù)雜、結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重等缺陷，特別是對(duì)于含油含水粉塵、粒徑≤10 μm的細(xì)微粉塵，無(wú)法完成微過(guò)濾工作，排放進(jìn)入大氣，容易形成霧霾天氣，對(duì)人體健康造成危害的現(xiàn)狀，推進(jìn)了鑄造環(huán)保設(shè)備重大的技術(shù)突破，利用“微孔過(guò)濾技術(shù)”，研究開(kāi)發(fā)了塑燒板除塵器，在保證除塵效果的前提下，重點(diǎn)解決鑄造行業(yè)PM2.5細(xì)微粉塵治理的世界性難題。

3 鑄造工業(yè)爐窯—沖天爐消煙除塵系統(tǒng)，煙塵凈化控制治理技術(shù)方面的典型工程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

鑄造行業(yè)的大氣污染物以沖天爐煙塵最為嚴(yán)重。沖天爐是目前鑄鐵件生產(chǎn)的主要熔煉設(shè)備，在熔煉過(guò)程中產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?、粉塵和其它排放物，約占整個(gè)鑄鐵廠大氣污染物排放總量的35%左右，其煙氣溫度高、成份復(fù)雜、濃度高，在不同的熔煉時(shí)段排塵、排煙波動(dòng)極大，是機(jī)械工業(yè)爐窯中排污量最大的污染源，也是煙氣治理中較難的類(lèi)型之一。

3.1 煙氣溫度

在沖天爐熔煉過(guò)程中，煙氣溫度的波動(dòng)幅度很大，它主要取決于爐子的容量、焦鐵比、料位高低以及單位送風(fēng)量等。一般情況下，料位正常，無(wú)明火時(shí)，煙氣溫度約100℃～200℃；在熔煉?cǎi)R口鐵或原料中有較多氧化鐵皮時(shí)，溫度一般為300℃～500℃；在加料結(jié)束到停止鼓風(fēng)階段，因料位不斷下降并冒出明火，煙氣溫度急劇上升，打爐時(shí)可到達(dá)600℃～900℃.高溫的煙塵無(wú)法直接進(jìn)行除塵的過(guò)濾凈化（常溫袋式除塵器和風(fēng)機(jī)），因此，沖天爐的煙塵冷卻降溫并進(jìn)行余熱回收利用是節(jié)能減排十分必要的技術(shù)措施。

3.2 煙氣起始含塵濃度及其粒徑分布

表1 、表2為沖天爐煙氣起始含量與粒徑分布。

表1 沖天爐煙氣的起始含量表

表2 沖天爐煙塵粒徑質(zhì)量分布百分比

把表1、2作為參考，依據(jù)大量項(xiàng)目的實(shí)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)采用的起始含塵量為：5 g/m3、10 g/m3.如果爐料（焦炭/廢鋼/回爐料）進(jìn)行必要的預(yù)清潔處理后，則起始含塵量可低于這個(gè)范圍至：1.5 g/m3.

3.3 煙氣成分

沖天爐煙氣除含有N外，主要還有SO2、CO2、CO、NOX、HF，水蒸氣及微量的 O2，沖天爐煙氣中的氣體有害物質(zhì)的含量及來(lái)源如下：

1）沖天爐中SO2的含量一般為 80 mg/m3～500 mg/m3，主要來(lái)自焦炭中S的燃燒，其次是爐內(nèi)冶金反應(yīng)的產(chǎn)物。

2）沖天爐中的CO的含量為10000 mg/m3～120000 mg/m3，主要來(lái)自焦炭的不完全燃燒及還原反應(yīng)產(chǎn)物。

3）沖天爐中HF的含量較少但腐蝕危害較大，主要來(lái)自熔煉過(guò)程中造渣加入的螢石（CaF2）、產(chǎn)生的氣態(tài)氟化物。

3.4 煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)

表3 為GB9078：1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)沖天爐煙氣排放的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 沖天爐煙塵凈化的技術(shù)關(guān)鍵

1）煙氣溫度高。沖天爐處于正常爐況時(shí)，混入加料口野風(fēng)后，煙氣溫度≤120℃；當(dāng)加料不及時(shí)，空爐、棚料及打爐瞬間煙氣溫度急劇上升，可達(dá)600℃～800℃，這為氣體輸送及干法除塵帶來(lái)困難。

表3 沖天爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)

表4 國(guó)際上各主要國(guó)家和地區(qū)的顆粒物排放限值

2）排風(fēng)量計(jì)算：沖天爐的爐氣量一般較鼓風(fēng)量增加：5%～10%，敞開(kāi)式加料口的入口風(fēng)速一般考慮為：1.2 m/s～1.5 m/s.因此，一般情況下，沖天爐的排風(fēng)量約為其鼓風(fēng)量的2.5～4.0倍。

3）粉塵多，微粉比例大，而且大部分不親水。沖天爐原始煙氣（不計(jì)野風(fēng)，不計(jì)高溫膨脹）的含塵量為 10 g/m3～14 g/m3，可通過(guò) 140目標(biāo)準(zhǔn)篩的占36%，其中50%不親水。由于不親水，濕法除塵效果差。

4）沖天爐在爐膛中產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔猓捎跊_天爐熔化的高壓鼓風(fēng)和高溫?zé)釟饬鞯纳蠜_以及爬式加料機(jī)開(kāi)放式的加料口設(shè)置，煙塵的捕集裝置、位置以及斷面風(fēng)速設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，會(huì)造成煙氣在將軍帽和加料口處外溢。

5）煙氣含酸性氧化物及氮氧化物。焦炭燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO2、CO2和NOX都溶于水，呈酸性。若用干法除塵，可直接排空；若用濕法除塵，水呈酸性，易腐蝕設(shè)備，造成國(guó)家明令禁止的二次水污染。

6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要一并考慮沖天爐煙氣脫硫達(dá)標(biāo)排放的問(wèn)題。

我公司研制的沖天爐消煙除塵脫硫系統(tǒng)工藝流程是：沖天爐在熔煉過(guò)程中的高溫?zé)焿m從將軍帽設(shè)計(jì)的吸風(fēng)口捕集，使得將軍帽和加料口均處于為負(fù)壓狀態(tài)，避免煙塵外溢。高溫?zé)煔饨?jīng)風(fēng)管進(jìn)入擾流式旋風(fēng)冷卻器（見(jiàn)圖3），煙塵溫度由600℃左右通過(guò)水冷卻的方式降到150℃左右，然后進(jìn)入多管水冷卻器，煙塵再次進(jìn)行冷卻，使溫度降到100℃左右，最后進(jìn)入常溫袋式除塵器凈化，然后經(jīng)脫硫噴淋塔脫硫后達(dá)標(biāo)排放（脫硫設(shè)施依據(jù)業(yè)主方要求和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置）。

圖3 沖天爐消煙除塵脫硫系統(tǒng)工藝流程圖

沖天爐煙塵冷卻方式由兩級(jí)冷卻器組成：第一級(jí)為擾流式旋風(fēng)冷卻器；第二級(jí)為多管水冷卻器[4]。

第一級(jí)擾流式旋風(fēng)冷卻器如圖4所示。

圖4 擾流式旋風(fēng)冷卻器

由上下兩部分組成，上部為多管水-煙氣熱交換部分。煙氣在管內(nèi)向上流動(dòng)，水在管道外部流動(dòng)。下部為切向進(jìn)氣口，煙塵氣流切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)入，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程與內(nèi)置擾流式裝置產(chǎn)生有效的撞擊，它較好地將大顆粒粉塵和帶火星的塵粒對(duì)選用袋式除塵裝置是十分重要和有效的技術(shù)措施沉降下來(lái)，既起到旋風(fēng)除塵器的作用，同時(shí)由于氣流旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)上升運(yùn)動(dòng)的作用，加強(qiáng)了鋼管壁面氣流的傳熱效果。另外還大大減少了大顆粒粉塵粒對(duì)冷卻管內(nèi)壁和擾流式旋風(fēng)冷卻器殼體內(nèi)壁的磨損。因此，該擾流裝置具有提高第一級(jí)冷卻器熱效率和除塵效率、降低壁面磨損等重要核心的作用[4]。

第二級(jí)多管水冷卻器的作用是對(duì)煙氣進(jìn)行二次降溫，確保進(jìn)入袋式除塵器的煙氣溫度控制在濾袋允許的最高使用范圍內(nèi)（≤120℃），保護(hù)濾袋不被燒壞，使除塵系統(tǒng)能安全有效運(yùn)行。因外界冬夏冷暖季節(jié)的變化，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際工況溫度的情況，系統(tǒng)中設(shè)定自動(dòng)測(cè)溫儀監(jiān)控，當(dāng)?shù)谝患?jí)擾流式水冷卻器出口煙氣溫度低于150℃時(shí)，可調(diào)節(jié)第二級(jí)冷卻器的進(jìn)水閥門(mén)，以控制其進(jìn)水流量，減少冷卻供水量，提高冷卻器的熱效應(yīng)。在確保煙塵凈化系統(tǒng)濾袋安全有效運(yùn)行的情況下，盡可能的降低能源的消耗[4]。

圖5 杭州某鑄造廠8 t/h沖天爐消煙除塵系統(tǒng)

3.6 特點(diǎn)

1）加裝火花捕集器（俗稱(chēng)：將軍帽），吸排風(fēng)罩和頂板微負(fù)壓補(bǔ)風(fēng)吸風(fēng)形式，以及排風(fēng)設(shè)計(jì)調(diào)整，使得加料口也相應(yīng)處于一定的負(fù)壓狀態(tài)，沖天爐消煙除塵系統(tǒng)做到：“一個(gè)達(dá)標(biāo)”，系統(tǒng)煙塵排放達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)?！皟蓚€(gè)可靠”，煙塵過(guò)濾凈化和煙氣冷卻兩個(gè)系統(tǒng)可靠?！叭齻€(gè)不冒煙”，煙塵凈化系統(tǒng)排風(fēng)管、沖天爐將軍帽和沖天爐加料口煙氣不外冒，確保系統(tǒng)凈化氣體達(dá)標(biāo)排放，具體示例見(jiàn)圖5.

2）可考慮增加余熱利用裝置設(shè)計(jì)，將兩級(jí)水、氣熱交換來(lái)冷卻煙氣的方式進(jìn)一步引用到熱水的利用，充分利用熔煉設(shè)備流失的熱能，通過(guò)水-水交換后，使的水流溫度達(dá)40℃～50℃，可用作職工常年洗手、洗澡等生活用水[5-7]（山東招遠(yuǎn)某鑄造企業(yè)沖天爐消煙除塵凈化系統(tǒng)我們?cè)O(shè)計(jì)了通過(guò)熱交換，職工利用熱水班后洗澡，節(jié)約了大量能源）。

3）采用常溫濾袋式除塵技術(shù)（濾袋耐溫≤120℃），最大程度上確保和降低了沖天爐消煙除塵系統(tǒng)的維修和運(yùn)行成本（高溫濾袋較常溫濾袋價(jià)格高出3～4倍）。

4）采用正壓噴淋塔脫硫，并在設(shè)計(jì)中考慮了不同地區(qū)和企業(yè)不同標(biāo)準(zhǔn)要求的，SO2脫硫塔裝置的配置預(yù)留，確保業(yè)主自行考慮煙氣符合SO2排放達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

《工業(yè)爐窯高效袋式除塵裝置技術(shù)及成套設(shè)備開(kāi)發(fā)》即沖天爐消煙除塵脫硫凈化系統(tǒng)，我公司以形成配套的系列化工程設(shè)計(jì)規(guī)范，在一汽錫柴、上柴、煙臺(tái)冰輪、山東隆基、龍口海盟、山東澳帆、杭機(jī)鑄、玉柴動(dòng)力、安徽寧國(guó)等幾十個(gè)沖天爐煙塵凈化項(xiàng)目上實(shí)施，經(jīng)各地環(huán)保部門(mén)檢測(cè)，煙塵排放量已經(jīng)全面滿(mǎn)足了現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，促進(jìn)了機(jī)械工業(yè)鑄造行業(yè)整體爐窯煙塵排放狀況的好轉(zhuǎn)，為沖天爐的除塵提供了有力的技術(shù)和設(shè)備的支持。

本文在編寫(xiě)過(guò)程中曾得到西安交通大學(xué)陸文華教授的幫助，特此致謝！

［1］中國(guó)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)、工業(yè)防塵專(zhuān)業(yè)委員會(huì).工業(yè)防塵手冊(cè)［M］.北京：勞動(dòng)人事出版社，1990.

［2］尤丙夫，馬炳權(quán).環(huán)境保護(hù)與沖天爐煙塵治理［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2008，28（6）：89-92.

［3］尤丙夫，姜南，陳松林.沖天爐高溫?zé)焿m冷卻裝置及余熱回用技術(shù)［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2009，29（1）：69-71.

［4］尤丙夫，楊岳興，姜南.沖天爐節(jié)能減排技術(shù)［G］//中國(guó)鑄造行業(yè)第四屆高層論壇論文集，2009.

［5］尤丙夫，楊岳興，姜南.沖天爐節(jié)能減排技術(shù)［J］.金屬加工（熱加工），2009（19）:28-31.

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