沼气的利用方法及液化压缩应用分析

中国沼气c^iM曰魄哪20ll，29(2) 13 沼气的利用方法及液化压缩应用分析 金伟，仓万虎。李怀正，徐祖信 (同济大学城市污染控制与治理国家重点实验室，上海200092) 摘要：城市与农村生产、生活中产生的有机剩余物通过厌氧消化技术转化为能源(沼气)与资源(有机肥)，实现 了资源的循环利用，减少了温室气体的排放，减轻了对环境的污染。因其在能源、环境、生态、卫生及农村经济发展 中的作用，正日益受到各个国家的重视。文章主要介绍了沼气的特性以及国内外沼气的使用方式与现状，并参照 天然气／煤层气的液化方式，分析了沼气液化技术的可行性，为今后我国沼气后续利用提供借鉴和参考。 关键词：厌氧消化；沼气利用；液化技术 中图分类号：S216．4文献标识码：A 文章编号：1000—1166(2011)02一ool3一06 TheCurrentStat吣ofBiog越Utili船tionandItsLiquefadi∞AppⅡcationA瑚dysis／JINWei，CANGWan．hu，LI HI_ai·吐eng，XUZu·dn／(StateKeyLabomtoryPoUutionControlandR咖Iu-ceRe吣e，Ton舀iUIliversity， Shan曲lai200092。(=llina) Abst婚ct：Anaerobicdigesti∞technologyischaracterizedbytumingurban锄dmralo玛anicw髂teintoenergy(biogas) 锄dresource(fenilize瑁)，wllichcanrealizetherecyclingvalue0fresource，舳dresIlltinreducinggreenhouseg踮emis． sio璐趴denviro砌ent8lpouuti∞．AsitsfhctioIlsinenergy，en“ro啪ent，ecolog)，，health鲫dmraleconomicdevelop- mem，ith踮becomeaIlincre髂ingimponancetothe90ve舢ents．nispapermailllyintroducesthebiog鹊characteristic， typesofbiog鹪印曲cati∞趴di协c帆ntstatu8．Andthefe髂ib订jtyofbiog鹊liquefacationtechnologyw鹊analyzedaccord· iJlgtotllenatumlgas／coalbedmetl】aIleliqllefactiontechnolpg)r． Keywords：a∞erobicdigestion；biog够印曲cation；liquefactiontechnology 据国际权威机构的资料推算，全球石油、天然气 和煤分别可用92年，63年和90年⋯。化石能源耗 竭已使得美国、欧洲等发达国家开始实施化石能源 换代的规划与计划，其中发展生物质能源产业是重 要的对策之一。 生物质是指由生物体所产生的有机物质，其来 源主要包括有机废弃物(农作物秸秆、畜禽粪便、林 业剩余物、工业有机物废弃物、城市有机生活垃圾 等)、生物质原料植物资源(如甜高粱、木薯、甘薯、 油料作物等)。中国是世界上最大的农业生产国， 每年产生大量的农业废弃物，据2004年的统计数据 测算，仅农作物秸秆产生量的热值折算，相当于每年 3．27亿吨标准煤；畜禽养殖废弃物相当于1．04亿 吨标准煤，而2005年全国各行业煤炭资源年消费量 为21．67亿吨，若能将农作物秸秆与畜禽废弃物转 化为能源。则可替代近20％的煤炭消费量¨’2J。因 此，有效地利用农业废弃物，将农业废弃物“污染 源”转化为“资源能源”，在环境保护、能源替代、“三 农”问题等方面都具有重大的社会、经济和环境效 益。 农业废弃物的厌氧消化产沼气及其综合利用技 术是较成熟的能源替代方式之一，得到了世界各国 的重视和应用。我国农村户用沼气应用起步较早， 且近年来得到了较大的发展，但是大中型厌氧消化 工程方面还存在较大的差距，沼气后续利用多数处 于低效、低值的阶段，原因之一是后续沼气的应用技 术方面相对不够完善和成熟。 因此本文围绕厌氧消化产沼气的后续利用技术 与方式，介绍相关学术研究和工业应用，以期推动农 业废弃物处置与沼气产业的发展。 1沼气的主要特性 沼气是一种混合气体，主要成分是甲烷(CH。)， 其余为二氧化碳(cO：)，氧气(o：)，氮气(N：)和硫 化氢(H2S)等。其中甲烷的含量约为55％一70％， 收稿日期：2010．09旬1 项目来源：上海市科委部市合作科技攻关项目(08Dzl980902)；上海市科委科技攻关重点项目(10391900402) 作者简介：金伟(1970一)，男，博士，主要从事水与废水资源化研究，Email：jinwei21@sina．c咖 万方数据 14 中国沼气劬iMB魄脚201l，29(2) 二氧化碳含量约为30％一45％。甲烷是无色、无臭 的气体，在标准状态下，甲烷对空气的相对密度为 O．55铝，沼气约为O．94；甲烷的低位热值为35．9 哪·m～，沼气的低位热值为20一25MJ·m。3¨J。 甲烷是一种最简单的有机化合物，是一种良好的气 体燃料，它的化学性质极为稳定，不溶于水，无色、无 臭、无毒，燃烧后没有污染物。lm3沼气完全燃烧 相当于o．7公斤汽油或4．5公斤煤炭燃烧效能，属 于中等热值燃料H。J。 2沼气利用方法 2．1 户用沼气应用 我国的沼气工程建设起始于上世纪60年代， 历经近半个世纪的发展，沼气工程从最初的单纯追 求能源生产拓展为以废弃物厌氧消化为手段、以能 源生产为目标，最终实现沼气、沼液、沼渣综合利用 的生态环保工程¨一。 20世纪90年代以来，沼气的开发利用已从单 纯解决农村生活用能问题转到综合利用、发挥生态 保护功能上来，逐渐形成了各种沼气生态农业模式， 依托沼气发酵综合利用技术，以沼气建设为纽带，将 畜牧业、种植业等科学合理地结合在一起，使农业生 态系统内做到能量多级利用，物质良性循环，达到高 产、优质、高效、低耗的目的，成为一项可持续农业技 术。具有代表意义的是北方农村能源生态模式(即 “四位一体”)和南方“猪一沼一果”模式：我国北方 推广的“四位一体”沼气生态农业模式已达23万 户，并成为了当地农民脱贫致富的小康工程；我国南 方建立“猪一沼一果”模式，已成为南方农村经济的 新增长点，如浙江省有8万多户农民家庭推广了 “猪一沼气一作物”模式沼气工程，形成了以沼气为 纽带的良好的能源生态农业模式¨’7J。 2．2沼气工程的热电联产应用 沼气热电联产应用是大中型沼气综合利用的一 项工程化技术。沼气发电技术将有机质厌氧处理后 产生的沼气转变为电能，降低了污染物处理的成本， 并产生了高效清洁的能源，集环保和节能于一体，是 有效利用沼气的一种重要方式¨1。 沼气发电在发达国家已得到广泛应用。2006年 期间，欧盟22国填埋场沼气的发电量达36000G矾 之多；美国2005年期间填埋场沼气的发电量就已超 过20000G肌哺J。2000年德国可再生能源法开始 实施，沼气工程建设快速增长。截止到2008年已建 成3900个沼气工程，遍布整个德国，总装机容量为 1400MW，装机容量在2Mw的沼气厂有40家，最 小装机容量为50kw。德国沼气工程投资多以发电 装机容量计，每kw装机容量约为3000一4000欧 元。有470个沼气公司从事沼气工程的、建造 和设备供应。目前，可再生能源已占德国整个能源 消耗的8．6％一1。 中国开展沼气发电领域的研究始于80年代初， 目前在中国深圳已建成南山和下坪沼气发电厂，南 京、上海、北京等地也正在或准备修建垃圾沼气发电 厂。据测算，该类电站规模在1000kw以上、平均 电价约为O．4元·kwh。时，其经济性就基本能与 煤电相抗衡HJ。北京高碑店污水处理厂对生化沼 气采用“沼气内燃机一余热回收一发电机组”利用 途径，是一种典型的小型“燃气热电联供”模式，可 日产沼气约40000m3，日发电量约为7．5万kwh， 日产热量约8000kCal，全年发电量可望达到2700 万kwh，产热量约280亿kCal，年均产值可达2000 万元，投资回报期约为7年或8年，其经济效益还是 可观的‘10I。 我国农业领域清洁发展机制(CDM)项目在联 合国成功注册3个，湖北恩施农村户用沼气和山东 民和沼气工程项目，成为我国注册成功的首个户用 沼气CDM项目和首个特大型沼气工程CDM项目， 山东民和2万m3沼气工程CDM项目，年可处理鸡 粪18万吨、生产沼气1095万m3、生产有机肥25万 吨、发电2190万k矾，年减排温室气体6．7万吨二 氧化碳当量、CDM年收益达630万元【11|。 2．3 沼气作为车用燃料 沼气净化提纯后可达到天然气质量水平作为替 代燃油和天然气的车用燃料。根据国际能源署 2005年的，目前在欧美有7个国家有规模 化的车用沼气生产厂23座。瑞典是使用沼气作汽 车燃料最先进的国家，拥有沼气燃料汽车15000辆。 据估计，在2010一2012年，瑞典沼气燃料汽车达到 70000辆，汽车沼气供应站500所。鞍山市垃圾填 埋气制取汽车燃料示范工程于2004年首次在中国 投人使用，每天生产垃圾填埋气10000m3，经过净 化压缩后作为汽车燃料，每天产量为6000m3，200 辆垃圾运输车首次应用这种新型绿色环保能源，随 后将用于全市的公交车上。中国在车用沼气方面的 研究才刚刚开始，但由于中国汽车迅速发展，燃油价 格不断飙升，以及中国石油、天然气的短缺，以提纯 沼气替代燃油和天然气作车用燃料将会具有十分广 阔的发展前景旧J。 万方数据 中国沼气吼i舭日魄印2011，29(2) 15 2．4沼气纯化并入天然气管网 提纯后的沼气并入天然气管网就可利用现有的 天然气输送网络和设备，极大地节约沼气运输成本， 是一种非常有前景的沼气输送和利用方式。根据瑞 典气体中心(SGC)提供的报告分析，提纯后的沼气 并入天然气管网除了节约成本外还有很多其它优 势，如沼气代替的那部分天然气实现了绿色化；可以 避免天然气的供需高峰，调节用气市场；而且管道输 送的沼气也可以直接作为车用燃料，使用方式灵活。 1992年建立的瑞典La}lohll沼气厂年处理有机废物 3．5万吨，是瑞典首例将生物甲烷并人天然气管网 的工厂，在具有完善的天然气网管地区和国家推广 该模式，其市场效应、环境效益以及社会效应会更加 显著‘121。 2．5沼气净化压缩罐装 将沼气加压到1．5MPa(普通家庭可以接受)， 装入容积为36L的液化石油气贮罐，根据计算在室 温常压条件下只能容贮0．4m3；甚至加压到15MPa 其容量也只有5．4m3(每户耗气量约lm3·d叫)， 难以直接实现压缩灌装使用HJ。为提高灌装沼气 的热值，需要对沼气进行脱硫、脱碳、脱水处理，净化 后甲烷含量约80％左右，压缩气加压至20MPa装 入车用50L天然气钢瓶可压缩净化后的沼气约lO m3(热值相当于16m3沼气)，可供普通家庭半个月 使用¨引。按照天然气技术指标要求，将沼气净化压 缩罐装运至配气站，再由燃气公司配置热值气体以 提高沼气热值，使其符合民用管网天然气的气质要 求，就可以作为城市天然气的补充气源，真正实现沼 气的商业化应用”J。 2．6沼气作为燃料电池 日本的东芝公司从20世纪70年代后半期开 始，以分散型燃料电池为重点进行开发，将200kw 机，1lMW机形成了系列化，11MW机是世界上最 大的燃料电池发电设备[8】。安装在美国某公司和 安装在日本大阪梅田中心大阪煤气公司的2台燃料 电池，累计运行时间相继突破了4万h。沼气燃料 电池发电与沼气发电机发电相比，不仅出电效率和 能量利用率高，而且振动和噪音小，排出的氮氧化物 和硫化物浓度低¨4。。广州市番禺水门种猪场与日 本政府日本通产省新能源产业技术综合开发机构合 作建设200kw的沼气燃料电池装置项目，为世界 首例[1副以养猪场粪尿产生的沼气作原料的燃料电 池发电项目。 燃料电池供电将是21世纪最有竞争力的高效、 清洁供电方式，有着广泛的应用前景和巨大的潜在 市场。将沼气用于燃料电池发电，是有效利用沼气 资源的一条重要途径，这对我国沼气利用技术的发 展具有重大意义。 2．7沼气作为化工原料 沼气的主要成分是CH。和CO：，从沼气中提取 出的CH．和CO：以及以沼气为原料制取的合成气 (CO+H：)是基本的化工生产原料，可进一步生产 多种高附加值的液体燃料和化工产品。例如，CH。 可直接转化成乙炔、氢气、炭黑、氯甲烷、氢氰酸、硝 基甲烷和二硫化碳等，也可先转化成合成气，然后再 合成氨生产化肥，或经费托(TF—T)合成制取液体 燃料如汽油、柴油，也可转化成甲醇、二甲醚、低碳混 合醇和低碳烯烃等一系列重要的化工产品。与化石 原料石油、天然气相比，以沼气为原料生产化工产品 具有重要战略意义和潜在的发展前景Ll引。 3沼气液化应用的发展现状 与农村户用沼气相比，大中型厌氧消化产沼工 程沼气产量高，对后续沼气消纳途径要求高，特别是 在难以并人天然气管网、发电并网等情况下，利用天 然气液化技术将沼气液化供应给城镇居民作生活能 源，服务于周边没有天然气管网的区域，也是实现沼 气的远距离输送和沼气商业化应用的一种方式。 3．I可行性分析 3．1．1天然气／煤层气的特性 天然气是由多种饱和烃气体和少量非烃类气体 组成的混合气体。其主要成分为甲烷，随产地的不 同，甲烷成分所占体积分数在85％一97％之间变 化。乙烷、丙烷、丁烷含量不多，少量非烃类气体主 要包括二氧化碳、一氧化碳、氮、氢、硫化氢和水汽 等【17l。天然气液化的临界温度为一83．58cC，故在 常温下、无法仅靠加压将其液化¨引。需要采用天然 气液化，将天然气最终在一16l℃，压力为O．1 MPa左右的条件下液化为液化天然气(LNG)，其密 度为标准状态下甲烷的600倍，体积能量密度为汽 油的72％，十分有利于输送和储存¨91。煤层气属 于天然气的一种，主要是依附于煤矿的可燃气体，化 学成分主要为甲烷Ⅲ’。 煤层气的液化与常规天然气液化的基本原理及 一样，可以借鉴常规天然气液化技术口¨。深冷 技术液化甲烷天然气，是一项比较成熟的技术。但 是具体到煤层气液化有其自身的特点。比如含氮量 可能较高。再如可能有二氧化碳和氧气。选择合适 万方数据 16 中国沼气吼i加B垤∞2011，29(2) 的方法对煤层气进行预处理，使其组分达到常规天 然气水平，或者尽可能达到能够液化的标准，是煤层 气液化前必须进行的一项工作，对煤层气以液化方 式实现长距离运输的具有举足轻重的意义陋】。 3．1．2沼气液化存在的问题 沼气中的主要成分是CH。和CO：。CH。的液相 临界温度是190．7K(一82．3℃)，CO：的液化临界 温度是217K(一56cC)心引，因此在满足CH。液化临 界温度时，CO：完全进入固相，会将整个气路堵塞。 故考虑在CH。液化前将cO：完全去除，至少要达到 不使气路堵塞的程度，这一点是沼气液化能否成功 的关键‘引。 沼气的净化主要是对沼气中的H：S，H：O，CO： 和卤化混合的去除，脱硫是为了避免腐蚀设备和 H：S中毒，如果沼气燃烧放出SO：／SO，，会比H：S造 成更大的危害，sO：会降低露点，硫酸有高腐蚀性； 脱水是固气体中的水分会溶解H：S而腐蚀管道，此 外当沼气被加压储存时，为了防止凝结水冻坏储气 罐，也必须对水进行去除；cO：降低了沼气的能量密 度，要使沼气达到天然气标准或者被用作汽车燃料， 就必须脱除C02Ⅲ1。 3．2天然气／煤层气液化研究 20世纪70年代后期和80年代，由于美国联邦 政府对煤层气井的税收优惠政策，美国进行了大规 模的煤层气开发利用科研和试验，并取得了重要的 成果。英国、德国、澳大利亚等国也积极加快本国煤 层气的发展，针对煤层气的特点相继研发了小型液 化系统，综合开发和利用煤矿区煤层气。在这些国 家研究的煤层气液化技术中，通常采用的系统工艺 有带丙烷预冷的混合工质闭式循环、单工质透平膨 胀闭式循环、膨胀开式循环、透平膨胀开式循环、混 合工质透平膨胀闭式循环、级联式闭式循环¨¨。 上海交通大学LNG课题组在液化天然气应用 基础研究方面，以东海油气田和陕北气田等LNG工 程项目为依托，对天然气液化流程进行了系统模拟， 取得了一定的成果；哈尔滨工业大学低温与超导技 术研究所建立了一个全尺寸工业试验平台，进行煤 层气液化技术的研究，该系统采用与原料煤层气分 开的闭式混合工质制冷循环；除此之外，大庆油田、 西南石油学院、天津大学等都在进行小型液化装置 的实验研究旧1I。中国科学院低温中心等单位研制 了天然气液化装置：一台容量为0．3m3．h叫LNG， 采用天然气自身压力膨胀制冷循环；另一台容量为 O．5m3·h—LNG，采用氮气膨胀闭式制冷循环忙引。 3．3天然气的液化工艺应用实例 20世纪90年代末，上海建造了国内首座日处 理量10万m3的调峰型LNG工厂(东海天然气事故 调峰站)。其流程是由法国公司设计开发的新型混 合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程 (简称为CII液化流程)。CII流程具有以下特点：装 置工艺流程简单、设备数量少；采用高效板翅式冷 箱，换热效率高，占地面积小，便于安装旧5|。 中原LNG工厂。2001年中原石油勘探局建造 了国内首座生产型LNC工厂。液化流程采用丙烷 预冷+乙烯复迭制冷+节流制冷的复迭式制冷工 艺。该装置能耗低，充分利用原料天然气12MPa的 高压力，在合理的温位节流，减少了能耗；低温液态 天然气带压储存有利于装置收率的提高，与常压储 存相比，液化率得到一定程度的提高仁5{。 新疆LNG工厂。2002年新疆广汇在鄯善兴建 LNG工厂，这是国内第一座大规模基本负荷型LNC 工厂。日处理天然气150万m’，设计LNG储罐容量 为3万m3。采用高效闭式混合制冷剂液化流程，具有 设备较少、流程简单、投资较少、管理方便等优点；但能 耗较高‘25l。 陕北气田LNG示范工程，充分利用偏远单井所产 小量天然气原料，经净化、预冷、深冷液化、循环压缩等 工艺过程，将天然气液化，用槽车运送到使用地点ⅢJ。 3．4沼气液化应用的分析 各行业，特别是农业利用有机剩余物厌氧生产 沼气，尽管国内外鲜有报道沼气液化压缩灌装使用 的案例，然而在特定的情境下，诏气液化压缩灌装使 用不失为一种有效、灵活的应用方式。我们通过对 沼气、天然气、煤层气的物理化学特性比较分析可 知，虽然沼气通过现有的成熟技术完全可以做到提 纯净化，使之与天然气的成分相当，进而借助国内外 的天然气、煤层气液化技术研究成果和技术装备，可 以实现沼气的液化压缩灌装，因此可以认为其在技 术上是可行的；但单纯从沼气液化压缩灌装使用的 投入产出分析，我们很难认为这种应用方式在经济 上是可行的。但必须认识到在当前温室气体减排、 节能减排、污染防治、资源循环利用、化石能源替代 等大背景下，大力发展有机剩余物的沼气工程是一 个现实的选择，沼气的液化压缩灌装使用从全生命 周期的角度也是“合算”的，适当地给予政策与经济 上的倾斜与扶持，可以更快更好地推广有机剩余物 处理处置的沼气工程应用。 万方数据 中国沼气吼讹日i嘈∞2011，29(2) 17 4沼气产业发展的机遇 沼气是各种有机物质在适宜的温度、湿度条件 下，在隔绝空气的环境中，经过微生物的发酵作用产 生的一种环境友好、清洁和便宜的可燃烧气体旧7。。 产沼气的物料来源除农林有机剩余物，还包括工业 有机废弃物，如啤酒废水汹】、糖蜜废水旧】，畜禽养 殖场粪污‘驯，城市有机生活垃圾‘3¨、厨余垃圾m】， 污水处理厂剩余污泥【3纠等；另一大类是能源植物资 源，但在国内外尚存在“与民争粮、与粮争地”的争 论，且技术成熟度有待提高，在短时期内尚难以实现 能源替代。比较而言，沼气作为一项较为成熟的工 程化技术及处理对象的特性，具有大规模、集成化发 展的先发优势。 国家发展和改革委员会公布的《可再生能源发 展“十一五”规划》，明确指出“十一五”时期可再生 能源发展的总目标是：加快可再生能源开发利用，提 高可再生能源在能源结构中的比重；解决农村无电 人口用电问题和农村生活燃料短缺问题；促进可再 生能源技术和产业发展，提高可再生能源技术研发 能力和产业化水平。在其主要指标发展中，要求沼气 的年利用量达到190亿m3。因此，产业沼气在中国的 发展有强大的需求和市场ⅢJ，围绕沼气的后续利用技 术开展研究与应用，是产业沼气发展的关键之一。 5结论 (1)大量的农业废弃物作为一类生物质资源， 可通过厌氧技术产沼及其综合利用，实现废物资源 的循环利用，改善了农村的能源、环境及卫生状况， 同时可减少温室气体排放。 (2)沼气的高值高效利用是沼气工程推广应用 的关键。借鉴天然气液化技术对沼气进行提纯、液 化处理，在工艺上是可行的，但针对沼气的提纯与液 化技术尚处于技术论证与实验室科研阶段，尚未形 成规模的产业化生产。因此，需要进一步对技术实 施进行工程化的研究。 (3)从可持续发展的理念出发，开发和利用新 兴能源，提高资源综合利用效率，是我国未来能源开 发的方向。从国家的资源配置来看，沼气等洁净能 源的开发利用无疑会成为中国能源中替代能源的重 要组成，具有广阔的应用前景。 参考文献： [1]石元春．中国可再生能源发展战略研究丛书一生物质 能源卷[M]．北京：中国电力出版社，2008：11． 【2]崔民选．中国能源发展报告(2009)【M]．北京：社会科 学文献出版社。2009：5．． [3]陈俊平．沼气精制液化天然气和回收液态二氧化碳 [G]／／沼气技术和产业化发展研讨会论文集．北京：中 国沼气学会，2009． [4]王德超，邢青生，等．沼气液化利用的探索[J]．杭氧科 技，1998(1)：18—21． [5]王海涛，黄福川，马奎，等．沼气净化压缩罐装的试验 研究[J]．中国沼气，2009，27(1)：24—26． [6]谢燕华，董仁杰，等．沼气的综合利用[J]．能源技术， 2005，26(增刊)：12l一124． [7]王钢，刘伟，王欣，等．我国沼气技术的利用现状与前 景展望[J]．应用能源技术，2007，12：31—33． [8]赵新波，祝诗平，等．沼气研究和利用的现状与发展趋 势[G]／／自主创新与持续增长第十一届中国科协年会 论文集(2)．重庆：2009． [9]金成，刘凯．关于赴德国芬兰沼气工程考察报告[J]． 中国沼气，2009，27(2)：49—51． [10]李维，杨向平，李建军，等．北京排水集团高碑店污水 处理厂沼气热电联供情况介绍[c]／／中国电机工程 学会热电专业委员会2003年团体会员大会暨学术交 流会．北京：中国电机工程学会热点专业委员会， 2003． [11]黄朝武．我围首个大型沼气工程cDM项目成功运行 [J]．农业技术与装备，2009，177(11)：39． 【12]刘京，刘志丹，袁宪正，等．沼气生产及利用一瑞典经 验[J]．中国沼气．2008：13一14． [13]谢列先．沼气压缩罐装技术的试验研究[J]．可再生能 源，2009，27(3)：24—26． [14]孔祥生，郭秀璞，张妙霞．镉胁迫对玉米幼苗生长及生 理生化的影响[J]．华中农业大学学报，1999，18， (2)：11l一113． [15]刘英，胡启春，宋平，等．中国沼气技术研究与开发进 展情况综述[J]．中国沼气，2003，21(增刊)：76—80。 [16]庞云芝，李秀金．中国沼气产业化途径与关键技术 [J]．农业工程学报，2006，22(sI)：53—57． 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