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      北京物流信息聯盟

      一篇既熟悉又陌生的Nature文章 ——高空巡航飛機發動機顆粒物排放

      AECT北航航空發動機燃燒團隊 2021-10-28 07:45:31


      國際頂級學術雜志Nature20173月份刊載了一篇名為“Biofuel Blending Reduces Particle Emissions from Aircraft Engines at Cruise Conditions”Letter文章,當航空發動機、巡航、碳煙排放、航空替代燃料這些關鍵詞和Nature聯系在一起的時候,著實讓我們搞航發燃燒的人眼前一亮,為之一振。好文章是需要把玩的,經過一段時間的沉淀,讓我們重新回味下這篇文章,梳理其中與我們自己直接相關的科研工作,尋找能夠對現在和未來的航空發動機燃燒與排放研究有所啟發的關注點。

      1. NASA HU-25 Falcon 采樣飛機跟飛收集DC-8飛機的排放物[1]

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      航空器的高空污染排放

      隨著經濟活動的增長,人類日益擴張的生產活動制造了越來越多的排放物,包括困擾我們多年的霧霾等問題,所引發的空氣污染和大氣環境變化已經危及到人類的健康生活和未來發展。雖然與工業和地面交通相比航空運輸帶來的污染并不是最主要的,但對機場附近當地環境和高空空氣質量的影響卻是至關重要的。民用飛機運量在未來20年內將按照近5%的年增長率發展[2],來自航空的污染物排放比例也將逐年上漲,針對航空的排放標準也日益嚴格。

      眾所周知,國際民航組織(ICAO)現行的民用航空排放標準明確規定了對氣態污染物氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃碳氫物(UHC)、以及固態污染物碳煙(Soot)的排放限制要求。與本文直接相關的是固態污染物碳煙(Soot)的排放,同時氮氧化物(NOx)與大氣中的氨發生反應生成大氣中非有機的PM2.5二次顆粒物,如硝酸銨等,也將稍作討論。

      2. ICAO NOx排放標準隨年代的變化及發展目標[3]

      隨著燃燒基礎研究的不斷深入與燃燒室技術的長足進步,使得世界上少數幾個航空發動機廠商生產的發動機能夠滿足日益嚴格的排放標準,把污染排放量控制到很低的水平,比如我們熟悉的航空發動機巨頭GE、P&W以及RR。當然,中國也不甘落后,隨著C919大飛機動力需求的提出,近年來國內也開始研發航空發動機低排放燃燒室。而我們北航團隊也有幸參與其中,歷時6年,針對國產大涵道比渦扇發動機自主研發的低排放燃燒室方案(TeLESS)在部件驗證中達到了比ICAO CAEP/6標準低50%的水平,與國際上適航取證的先進航空發動機水準相當[4],不過之后的驗證機和整機考核將更加嚴酷。

      3.TeLESS燃燒室LTO NOx排放水平

      然而值得我們注意的是,ICAO現行標準僅對當地局部環境影響最大的起飛降落循環(Landingand Take-Off,LTO)提出了明確的要求,而未對高空巡航排放進行限制。但是,飛行器絕大部分的運行時間是處在11km左右高空巡航狀態,況且巡航狀態發動機燃燒室依然工作在相對高溫、高壓、高油氣比的利于NOxSoot產生的工況狀態,因此飛機幾乎成為高空巡航空域里唯一直接的污染源。

      4. 起飛降落LTO循環示意圖[5]

      前期的研究表明,高空排放物不僅僅造成環境污染,同時也是高空尾跡云、氣溶膠、甚至霧霾的成核關鍵來源,進而會對整個大氣環境和氣候變化產生關鍵影響。高空巡航排放的碳煙(Soot)以及直接或二次轉化形成的顆粒物,與地面源排放的氣溶膠顆粒物相比,可以更直接的作為云凝結核(CCN)和冰核(IN)與水蒸氣發生作用,從而影響云中冰晶的數量和大小,進一步影響云的存在形態和壽命,尤其是以卷云為首的一些高層云。很多對云水成分分析的研究結果表明,云水中存在黑炭(BC)顆粒物,暗示了黑炭可能在云的形成過程中扮演重要的角色。而云的形態和壽命的改變會進一步影響降水過程和大氣輻射平衡。此外,航空器所排放的污染物在平流層可進行至上而下的傳輸,進入對流層,從而加重對流層的污染。地球物理學和氣象學的專家在一系列的項目資助下,已經開展了高空航空排放物對大氣環境影響的理論研究[6, 7]。然而理論模型的預測準確度決定于粒度模型、微氣象以及化學反應效應,遺憾的是現在極度缺乏高空大氣中航空發動機真實的排放數據支撐[5]。要獲得這些數據,必須解決高空排放物采樣分析的技術問題。

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      5. 顆粒物排放對天氣系統的影響過程[8]


      高空飛行試驗平臺

      為了面對高空排放物采樣分析這一挑戰,由美國主導開展了替代燃料對高空巡航凝結云和排放影響作用的項目(Alternative-Fuel Effectson Contrails & Cruise EmiSSions,ACCESS),美國(美國航空航天局NASA和美國空軍)、德國(德國宇航中心DLR)和加拿大(加拿大國家研究委員會NRC)組成聯合研究團隊(都是國家隊呀?。?,發展了包含一架被測大型民航飛機,三架小型采樣飛機,多套排放物測試系統的綜合高空巡航排放測試平臺。

      該測試系統中的被測大型民航飛機為NASADC-8 型飛機,配發四臺CFM-56-2C1型渦扇發動機。該飛機在2000年經過改裝,用于NASA另一項替代燃料測試項目,航空替代燃料試驗Alternative Aviation Fuel Experiment, AAFEX。該項目旨在通過地面測試對比傳統航空燃料與航空替代燃料對現役主流航空發動機的性能影響,考察的性能包括:(1)發動機排氣溫度和壓氣機轉速;(2)主發動機和輔助動力單元的氣態/固態排放物及其特性;(3)可揮發氣溶膠在排氣尾流中的生成里程,同時也關注周圍環境對可揮發氣溶膠生成的影響。測試的氣態污染物包括ICAO規定的CO2、 CO、 NOx THC,以及SO2、HONO、甲烷同位素、特定碳氫化合物、有害空氣污染物以及含氧化合物等。固態污染物性質包括ICAO規定的冒煙數(SN),顆粒數量密度分布,粒度直徑分布,總的顆粒物和非揮發性顆粒物的質量,碳黑的形態、組成和總質量,可揮發氣溶膠的形態和質量,以及顆粒云的形成趨勢。

      6. 航空替代燃料試驗(AAFEX)地面試驗系統鳥瞰圖[9]

      AAFEX項目在2010年對費托合成法(FT)獲得的兩種替代燃料,及其與軍用航空燃料JP-8按照50/50比例混合的混合燃料進行了測試。結果顯示,在地面試驗中天然氣轉化的FT燃料(GTL)的氣態污染物與JP-8相比僅降低10%,有害氣體可降低5倍,而混合燃料的氣態污染物與JP-8相比沒有明顯區別。但是FT燃料可以顯著降低固態污染物的排放量,包括非揮發性顆粒物的排放指數、碳黑的排放指數、冒煙指數,而顆粒物直徑也遠小于JP-8的。同時發現,非揮發性顆粒物和碳黑的排放指數隨燃料中芳香烴含量的增加、氫元素含量的減少,而線性增加。對于可揮發氣溶膠的排放,FT燃料較JP-8小一個量級。另外,研究還表明周圍環境的條件對可揮發氣溶膠的生成量存在顯著影響,這也對在地面測試氣溶膠的模擬試驗準確性提出了質疑。

      7. FT替代燃料顯著降低發動機排放冒煙數[9]

      值得一提的是,在該測試項目中,除了測試了現行ICAO要求的航空發動機排放物測試標準CAEP/6規定的冒煙指數(Smoke number, SN)之外,還測量了非揮發性顆粒物的排放指數、質量和直徑分布等特性。這些顆粒物的詳細特性是未來CAEP/10新標準所規定的顆粒質量濃度測試內容。這項新的關于顆粒物的航空排放標準又是一個人類對空氣污染和環境保護強烈關注以及航空發動機排放控制技術顯著提升的體現。以圖7為例,現行標準規定的發動機碳煙測試方法是采用SAE的冒煙數測試方法,讓經由采樣系統獲得的規定總量的燃氣通過標準濾紙,燃氣中的顆粒物沉積在濾紙表面,而后利用反射率計測量濾紙的反射率與完全潔凈的濾紙反射率對比獲得相對的冒煙數。

      8. 從冒煙指數到非揮發性顆粒物標準的轉變[5]

      從圖8中可以看到,隨著發動機設計水平的提高,顆粒物的排放總量和顆粒直徑都達到了極低的量級,未來再考慮使用替代燃料的因素,濾紙上可能已經無法獲得有效的顆粒物沉積量,也就無法采用現行的方法評估先進航空發動機的碳煙排放水平。因此國際民航組織ICAO提出在不遠的將來采用更為精確的、詳細的顆粒物測試標準,必須包含:

      • LTO規定的各個推力狀態下的燃油流量

      • LTO四個狀態點下的非揮發性顆粒物的質量和數量的排放指數

      • 最大的非揮發性顆粒物的質量排放指數

      • 最大的非揮發性顆粒物的數量排放指數

      • 最大的非揮發性顆粒物的質量濃度

      而如此詳細的顆粒物測量將面臨巨大的挑戰,例如沒有一種直接的方法對測試設備進行標定(氣態污染物可利用精確已知濃度的標準樣氣),非揮發性顆粒物本身的組成不確定,采樣過程中顆粒物容易吸附在管路上而影響測試精度。而在高溫、高速和強震動條件下的發動機出口處要獲得可靠的顆粒物排放數據將更加困難(可以想象,高溫、高壓燃燒室出口就更更難了),因此多個國際團隊開展了針對CAEP/10標準的顆粒物測試的具體方法的研究,包括美國的AAFEX,德國的PartEmis,歐洲EASASAMPLE,瑞士的APRIDE,以及美國空軍的VARIAnTAEDC項目。

      對于立志于走中國制造,發展自主設計大型民用航空發動機,引領世界科技前沿,參與最新科技標準制定的當今中國而言,就必須積極參與這項標準方法的制定和實施過程。這也是我們在現階段發展新的低排放燃燒室過程中,亟需解決的一項測試技術課題。關于詳細的測試設備和方法,我們今后將另辟一篇文章專門介紹。

      AAFEX研究成果作為基礎,NASA繼續將替代燃料對排放的影響研究拓展到高空巡航真實環境中(ACCESS項目),鑒別燃料種類、不同發動機推力條件對顆粒物演變、組分變化的影響,研究碳煙濃度、性質以及燃料中硫含量對尾跡云生成和冰顆粒的微物理特性的影響,比較分析了地面試驗與高空巡航狀態下碳煙排放指數的關系,探究了碳煙與冰顆粒性質與環境條件的關系。

      前面圖1展示了NASA的采樣飛機HU-25Falcon DC-8的尾跡中采樣,距離保持在30-150m之內,以防止尾氣與周圍大氣的混合。為了配合低速的采樣飛機,DC-8采用了降低飛行馬赫數,保證飛行包線上相同供油量的狀態。另外,四發的DC-8可以分別控制內側兩個發動機和外側兩個發動機工作在不同狀態,以及供給不同種類的燃料。這樣可以在一次飛行中測試更多的發動機狀態和燃料種類的數據,大大降低試驗成本。

      如圖9所示,實際上測試過程中采用了三架分別來自于美國NASA、加拿大NRC和德國DLR的采樣飛機。各架采樣飛機上配備不同的采樣探針和測試設備,如圖10所示,其中NASADLR的采樣飛機測試設備比較齊全,如表1所示,這樣互補合作的測試方法也可以降低試驗成本??罩袦y試在典型的民航飛機巡航高度——海拔34000英尺的條件下進行,每次飛行試驗的時間在3個小時左右。在ACCESS初期工作中,聯合團隊進行了大量的測試性試驗,證明了整個高空排放測試平臺的可行性,繼而開展正式的測試工作。

      9. 高空測試的被測飛機與采樣飛機

      10. 部分采樣探針。上:氣態及氣溶膠探針;下:云液滴探針

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      1 各采樣飛機的排放測試設備

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      高空巡航下航空替代燃料的碳煙排放

      接下來要關注在ACCESS研究中的航空替代燃料,高空巡航試驗采用了另一種已經被ASTM認證的替代燃料,加氫處理的酯和脂肪酸(hydrotreatedesters and fatty acids, HEFA),它可以通過動、植物轉化而來,這里采用亞麻薺(Camelina)作為原料。選擇傳統民用航空燃料Jet-A、低硫含量Jet-A以及低硫含量Jet-AHEFA50/50混合燃料進行對比研究。

      航空生物燃料最大的優勢就是可以降低碳排放。最近美國總統特朗普先生宣布美國退出《巴黎氣候協定》的事件引起了軒然大波,而《巴黎氣候協定》的核心任務之一就是降低全球的碳排放,在2035年實現碳排放的零增長。但是實現航空低碳排放的途徑,除了努力降低發動機耗油率而減少燃油消耗以外,最根本的就是使用可再生生物燃料替代現有的化石燃料。

      生物燃料在生產使用的全生命周期中要經歷植物的光合作用吸收二氧化碳,因此理論上生物替代燃料可以實現航空燃料生產使用的零碳排放目標。當然,生物燃料的種植和養殖對土地和水資源的利用程度和影響,以及制備工藝中的能耗與碳排放問題,加上成本的因素,大范圍的推廣應用還需要假以時日。

      針對航空替代燃料的驗證和使用,為了最大限度的降低使用風險和成本,避免因使用替代燃料帶來的對現有發動機設計結構、供油系統的修改,在替代燃料的設計認證過程中遵循“dropin”原則,即與現有的商用航空燃料的理化性質盡可能接近,對現有發動機和燃油系統實現即插即用。為此,針對航空替代燃料的轉化方法、燃料性質、試驗方法等設計了詳細而嚴格的認證標準和流程。目前美國材料與試驗協會(ASTM)標準ASTM-D7566詳細規定了航空燃氣輪機替代燃料的認證技術信息,截止到現在共有5種替代燃料的轉化方法通過認證[10]

      1Fischer–Tropsch FT),2009年;

      2Hydroprocessed esters and fatty acids HEFA),2011年;

      3Synthesized iso-paraffinic SIPfuels,2014年;

      4Synthetic paraffinic kerosene with aromatics SPK/A),2015年;

      5Alcohol-to-jetATJ),2016年。

      我們團隊曾經總結過航空替代燃料在燃燒室部件、發動機整機以及飛行測試中的燃燒性能和排放特性[11],與傳統航空燃料相比,替代燃料對于發動機性能、氣態污染物的影響很小,符合“dropin”基本要求。然而由于生產轉化方法的原因,替代燃料一般都不含或僅含極少量的芳香烴,這個特性帶來正反兩方面的結果。

      不利的方面,傳統航空燃料都含有一定量的芳香烴,它是燃油系統中確保密封件發揮良好密封效果的關鍵成分,與密封橡膠的溶脹性有關,因此航空燃料標準中規定必須含有一定比例的芳香烴,比如體積含量不少于8%。試驗研究表明不含芳香烴的純替代燃料會造成燃油系統泄露的危險,所以替代燃料必須與傳統燃料混合后使用,ASTM-D7566就規定了FT、HEFAATJ三種替代燃料只能在最大50%的比例下使用,這也是ACCESS試驗中采用混合燃料與傳統燃料對比的原因。

      而有利的方面,燃料燃燒中碳煙的形成機理表明碳煙生成的前驅物主要是芳香烴(限于篇幅,關于碳煙生成機理的討論今后也將另辟文章討論,大家記得提醒小編?。?,如果燃料本身不含芳香烴,將大大減少碳煙的生成量,AAFEX的地面測試也證明了FT燃料可以大幅減少碳煙排放,如圖7所示。因此幾乎不含芳香烴的航空替代燃料在不同發動機、不同工況的測試中生成的碳煙明顯比傳統燃料少。同時,也大大減少了發動機燃燒室和燃油噴嘴的結焦積碳,以及火焰熱輻射,這對于發動機本身的壽命也大有裨益。

      ACCESS高空巡航狀態獲得了與AAFEX地面測試相似的試驗結果,首先替代燃料與傳統燃料的混合燃料能夠獲得相同的發動機性能和氣態污染物排放。但與傳統燃料相比,混合燃料降低了50%-70%的細顆粒物、非揮發性細顆粒物的數量以及碳煙的質量指數,如圖11所示。另外從顆粒物直徑分布的對比中也發現,絕大部分顆粒物直徑在10nm-100nm之間,屬于細(Fine)顆粒,而混合燃料不但減少了顆粒物的數量,還降低了顆粒物的平均直徑,見圖12。

      11.不同燃料的排放顆粒物排放指數比較[1]

      12.不同燃料的排放顆粒物粒徑分布比較[1]

      但是航空替代燃料的碳煙數量排放指數依然維持在碳煙較多的1014kg-1的量級,在排放顆粒物對尾跡云的影響理論模型中,如圖13所示,這個量級的碳煙數量與尾跡中冰顆粒存在線性關系,同時環境以及極細(Ultrafine)顆粒物對尾跡云的形成幾乎無影響。ACCESS研究團隊嘗試解釋這一現象,他們認為是由于替代燃料有更高的氫含量可以生成更多的水,從而多貢獻了約8%的冰顆粒質量。當然這一猜測還有待未來試驗和模型的進一步驗證。更深入的研究已經不僅僅是燃燒學專家的工作,而是氣象學、地球物理學研究者共同合作才能解決的問題。

      13.尾跡中的碳煙數量排放指數與冰顆粒的關系[7]


      航空替代燃料的碳煙生成特性

      對于燃燒學者而言,特別是關注碳煙生成的學者們,可能會繼續思考航空替代燃料組分和特性對碳煙生成的影響規律和機理。但是由于替代燃料的來源廣泛,轉化方法多樣,即使僅僅含有脂肪烴,其成分組成也存在很大差異,例如FT、ATJ基本只含有支鏈烷烴,而HEFA燃料含有支鏈烷烴、直鏈烷烴和環烷烴,同時替代燃料所含組分的碳數分布也存在很大區別,如圖14所示。

      14.替代燃料組分及碳數分布的差異[12]

      那么,問題就來了,對于研究航空燃料組成及特性對碳煙生成影響的學者,想知道在不同的燃料之間碳煙的生成是否存在差別。答案當然是肯定的。先談一談航空燃料碳煙生成特性的測試方法。航空燃料標準已經規定了描述燃料冒煙屬性的參數就是煙點(Smoke point),可以通過煙點儀測量,基本原理就是在燈芯火焰中調節燈芯,當觀察到有黑煙從火焰上部釋放出來時,記錄下火焰的高度,定義為煙點。容易生成碳煙的燃料可以在更短的火焰長度下釋放黑煙,所以煙點越小,說明燃料越容易產生碳煙。表2對比了傳統燃料Jet-A和三種替代燃料的煙點,可以看出即使是不易生成碳煙的替代燃料之間也存在很大差異。

      2 不同燃料的煙點對比

      這是簡便易行的標準化測量方法,但是它也存在顯著的局限性。首先,煙點儀的測量范圍是比較窄的,對于容易冒煙的芳香烴而言,火焰的長度很短,相互之間的差別很小,靠肉眼(就是這么任性?。┳x取火焰高度帶來的誤差很大,而對于不易生成碳煙的替代燃料而言,一般煙點都比較大,甚至超過了煙點儀火焰高度的測量上限;其次,不同的燃燒環境決定了碳煙的生成過程和生成量的大小,而煙點儀的火焰是典型的擴散火焰,并且是在碳煙生成的初始階段,顯然與實際燃燒過程存在巨大差異。

      而基于煙點的閾值冒煙指數(Thresholdsooting index, TSI),則考慮了燃料擴散性質對煙點的影響,已經作為航空燃料及替代燃料構建CFD數值模擬研究用的代用組分的主要目標性質之一,但是最近研究又發現煙點測試的不同燃料的冒煙趨勢在更復雜的火焰中存在偏差[13]。

      因此,有研究者提出在氣態燃料(甲烷、乙烯)的特定狀態的基準同軸非預混火焰(Coflow non-premixedflame)中添加少量(ppm量級)的傳統航空燃料、航空替代燃料及其代用組分(混合或者單一組分),再采用光學測試方法定量測量沿火焰中心流線的最大碳煙體積分數,以此表征該燃料冒煙特性,經過歸一化處理獲得相對的冒煙指數,稱為生成冒煙指數(Yield sooting index, YSI)[13-15]。YSI對容易生成碳煙的芳香烴及大分子碳氫燃料可以獲得更好的分辨率,另外對于單組分燃料還表現出與TSI存在良好的對應關系。

      雖然同軸火焰易于實現,測量方便,但依然存在不足,例如火焰可控參數少,低流速與發動機實際燃燒狀態相差較遠,不易進行化學動力學模擬等。此時,對沖火焰(Counter flow)閃亮登場,它恰恰可以控制火焰拉伸率,以近似模擬湍流對燃燒的影響,準一維火焰可以通過化學動力學模型直接模擬,所以有不少對傳統航空燃料、航空替代燃料及其代用組分的研究都在對沖火焰上進行[16-18],這其中也包括我們北航團隊參與的傳統航空燃料及航空替代燃料在對沖非預混火焰中的碳煙生成特性研究[19],發現替代燃料之間依然表現出明顯的碳煙生成差異。

      那么,下一個問題又來了,是什么從根本上決定了復雜燃料在燃燒時生成碳煙的多少,有沒有可能找到一種燃料組分或特性來直接歸納碳煙生成特性,從而為未來替代燃料的選擇、代用組分的構建提供可靠的目標性質?

      針對這個問題,研究者們做了很多嘗試,有人做了總結歸納[20],從與碳煙生成直接相關的芳香烴含量、碳氫比、氫含量,再到更詳細的芳香烴、直鏈烷烴、支鏈烷烴、環烷烴含量的組合關系,再到單/雙碳鍵的相對數量,都做了詳細分析和對比,但在特定的火焰和工況條件下獲得的碳煙生成量關系很難使用到其他火焰和工況條件。也有直接以TSI或者煙點作為燃料特性來預測碳煙生成特性的,例如文獻[16]中以TSI作為Jet-A代用組分構建的目標性質,獲得了與Jet-A相同TSI代用組分,但是在同軸非預混火焰中[13]和預混火焰[21]中的測試結果都表明代用組分Jet-A的碳煙生成量小25%甚至3-5倍。

      最新的研究則假設從燃料分子中不同位置的碳原子對碳煙生成的貢獻不同,以此為出發點,利用碳原子和氫原子核磁共振,對燃料中的碳原子進行更為詳細的分類并賦予碳煙生成的權重,建立各種碳原子數量、權重與碳煙生成的關系,以此來預測碳煙的生成[13]。由這種方法構建的多種代用組分的理論碳煙生成量與實驗測量值能夠很好的吻合。

      當然這些方法仍然有待于在更多的燃料和火焰環境中去驗證。

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      結束語

      最后,我們再一次回顧這篇文章中看似熟悉,實際富含深意的問題。以關系到地球和人類命運的大氣環境、氣候變化、可再生能源作為出發點,組成國際研究團隊建立高空巡航飛行測試平臺,攻克高空排放物采樣系統的重大工程難題,為驗證航空替代燃料和高空污染排放對大氣環境影響的理論模型提供了最接近實際狀態的第一手數據,對高空大氣云層、霧霾機理研究具有重大意義,進而成就了這篇足以刊登在Nature上的研究成果。

      然而,要實現其中任意一項內容,都需要整合多個學科的研究力量。首先我們要做好自己專業內的工作,再尋找為世界航空、能源與環境科學作貢獻的機會,將自己的“小科學”放到“大平臺”上,進而參與到足以改變世界和人類發展進程的科研活動中。值得慶幸的是,我們已經在自己手頭上的工作中取得了不小的進步,但是仍需要在低排放燃燒、碳煙生成、替代燃料燃燒及認證、排放測試方法和標準等領域繼續深耕。深知自己在科學探索的道路上才剛剛起步,前路漫漫,希望與大家一起上下求索,至臻至善。

      (文中部分圖片來自網絡)

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