DE102020200602A1 - Thermal treatment of mineral raw materials with a mechanical fluidized bed reactor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von mineralischen Rohstoffen, insbesondere Lithiumerzen, wobei die Vorrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung 10, eine Granulationsvorrichtung 30 und eine Wärmebehandlungsvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Granulationsvorrichtung 30 ein mechanischer Wirbelbettreaktor ist.The present invention relates to a device for the thermal treatment of mineral raw materials, in particular lithium ores, the device having a comminution device 10, a granulation device 30 and a heat treatment device, characterized in that the granulation device 30 is a mechanical fluidized bed reactor.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren insbesondere von Lithiumerzen.The invention relates to an apparatus and a method in particular for lithium ores.
Aus der
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, womit vor allem Erze thermisch behandelt werden können, welche zum einen zur verstärkten Ansatzbildung neigen, zum anderen durch Schmelzeigenschaften und/oder Partikelgrößen eine erhöhte Belastung des Luftkreislaufes darstellen können.The object of the invention is to provide a device and a method with which, above all, ores can be thermally treated, which on the one hand tend to build up more deposits and on the other hand can represent an increased load on the air circuit due to melting properties and / or particle sizes.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie das Verfahren mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by the device with the features specified in claim 1 and the method with the features specified in claim 11. Advantageous further developments result from the subclaims, the following description and the drawings.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermischen Behandlung von mineralischen Rohstoffen dient insbesondere der thermischen Behandlung von Lithiumerzen, beispielsweise Lithiumaluminiumsilikat, wie zum Beispiel Spodumen (LiAl[Si2O6]) oder Petalit (LiAl[Si4O10]).The device according to the invention for the thermal treatment of mineral raw materials is used in particular for the thermal treatment of lithium ores, for example lithium aluminum silicate such as spodumene (LiAl [Si 2 O 6 ]) or petalite (LiAl [Si 4 O 10 ]).
Die Vorrichtung weist eine Zerkleinerungsvorrichtung, eine Granulationsvorrichtung und eine Wärmebehandlungsvorrichtung auf. Erfindungsgemäß ist die Granulationsvorrichtung ein mechanischer Wirbelbettreaktor.The device has a comminution device, a granulation device and a heat treatment device. According to the invention, the granulation device is a mechanical fluidized bed reactor.
Es hat sich gezeigt, dass gerade in einem mechanischen Wirbelbettreaktor zu einer sehr vorteilhaften Veränderung des fein gemahlenen mineralischen Rohstoffs führt. Durch die vergleichsweise einheitliche Größenverteilung der agglomerierten Partikel wird sowohl das Anhaften in einer Wärmebehandlungsvorrichtung als auch das Übergehen des Produktes in die Gasphase verhindert. Letzteres führt dazu, dass das Produkt aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden muss und so praktisch im Kreis geführt wird, was eine Belastung für den Gesamtprozess darstellt.It has been shown that a mechanical fluidized bed reactor in particular leads to a very advantageous change in the finely ground mineral raw material. The comparatively uniform size distribution of the agglomerated particles prevents both sticking in a heat treatment device and the transition of the product into the gas phase. The latter means that the product has to be filtered out of the exhaust gas flow and is thus practically circulated, which is a burden for the entire process.
Während in einem normalen Wirbelbettreaktor Gase eingesetzt werden, um einen Feststoff mit dem Gasraum zu vermischen und so zu fluidisieren sowie zu transportieren, wird in einem mechanischen Wirbelbettreaktor dieses rein mechanisch mithilfe eines Mischwerkzeugs erzielt.While gases are used in a normal fluidized bed reactor to mix a solid with the gas space and thus fluidize and transport it, in a mechanical fluidized bed reactor this is achieved purely mechanically with the help of a mixing tool.
Es hat sich gezeigt, dass der Effekt des mechanischen Wirbelbettreaktors ist, dass die sehr feinen Partikeln, welche vermahlen entstehen, agglomerieren. Hierdurch wird eine Staubbildung in den folgenden Prozessschritten vermieden, da insbesondere besonders kleine Partikel sehr deutlich reduziert werden können. Hierdurch kommt es auch wesentlich weniger zum Verkleben von Material an den Wänden des Vorwärmers, insbesondere, wenn dieser in Form von mehrere nacheinander gestalteten Zyklonen ausgeführt ist.It has been shown that the effect of the mechanical fluidized bed reactor is that the very fine particles, which are ground, agglomerate. This avoids the formation of dust in the following process steps, since particularly small particles in particular can be reduced very significantly. As a result, there is also significantly less material sticking to the walls of the preheater, in particular if it is designed in the form of several cyclones arranged one after the other.
Der Vorwärmer kann als Gleichstromvorwärmer ausgeführt sein. Hierbei werden Gas und Feststoff in die gleiche Richtung transportiert, während die Wärme vom Gas an den Feststoff übertragen wird. Ein Beispiel hierfür sind nacheinander geschaltete Zyklonen. Der Wärmeübertrag erfolgt in den Verbindungen zwischen den Zyklonen im Gleichstrom, die Zyklone dienen dann zur Trennung von Gas und Feststoff.The preheater can be designed as a direct current preheater. Here, gas and solid are transported in the same direction, while the heat is transferred from the gas to the solid. An example of this are cyclones connected in series. The heat transfer takes place in the connections between the cyclones in cocurrent, the cyclones then serve to separate gas and solids.
Alternativ kann der Vorwärmer als Gegenstromvorwärmer ausgeführt sein. Ein entsprechender Vorwärmer ist beispielsweise und insbesondere aus der
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Wärmebehandlungsvorrichtung einen Vorwärmer auf, wobei der Vorwärmer 2 bis 8 Zyklonen aufweist. Zyklone erlauben eine schnelle und effiziente Erwärmung des Materials. Gleichzeit wird im Gegenstrom das Gas abgekühlt und so die Energie zurückgewonnen.In a further embodiment of the invention, the heat treatment device has a preheater, the preheater having 2 to 8 cyclones. Cyclones allow the material to be heated quickly and efficiently. At the same time, the gas is cooled in countercurrent and the energy is recovered.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Wärmebehandlungsvorrichtung einen Calcinator auf.In a further embodiment of the invention, the heat treatment device has a calciner.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Calcinator ein Mehretagenofen.In a further embodiment of the invention, the calciner is a multi-deck furnace.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist anschließend an die Wärmebehandlungsvorrichtung ein Kühler angeordnet. Beispielhaft und bevorzugt besteht der Kühler aus 2 bis 8 Zyklonen. Zyklone erlauben eine schnelle und effiziente Abkühlung des Materials. Gleichzeit wird im Gegenstrom das Gas erwärmt.In a further embodiment of the invention, a cooler is arranged next to the heat treatment device. By way of example and preferably, the cooler consists of 2 to 8 cyclones. Cyclones allow the material to be cooled down quickly and efficiently. At the same time, the gas is heated in countercurrent.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kühler direkt mit dem Calcinator verbunden ist. In dieser Ausführungsform wird somit auf einen Ofen, insbesondere einen Drehrohrofen vollständig verzichtet. Hierdurch wird die Verweilzeit in der gesamten Vorrichtung deutlich reduziert und der Energiebedarf abgesenkt. Dieses setzt jedoch eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung und somit Stoffumsetzung voraus, was durch die vergleichmäßigende Wirkung des mechanischen Wirbelbetts gegeben ist. Durch die Verwendung des mechanischen Wirbelbettreaktors wurde festgestellt, dass eine extrem gleichförmige Agglomeration des Ausgangsmaterials erreicht wird. Dieses führt dazu, dass neben dem hervorragenden anhaftungsfreien Durchlaufen des Vorwärmers sowie des Calcinators auch eine extrem gute und vor allem gleichmäßige Erwärmung und damit bereits Umsetzung des Ausgangsmaterials ergibt. Es hat sich dadurch gezeigt, dass bereits nach dem Durchlauf durch den Calcinator bereits das Ausgangsmaterial umgesetzt worden ist. Dadurch kann auf das lange Erhitzen im Ofen, welches nach herrschender Meinung zu vollständigen Umsetzung notwendig ist, verzichtet werden. Hierdurch kommt es zu einer Einsparung sowohl beim Bau der Anlage, vor allem aber auch beim Betreiben.In a further embodiment of the invention, the cooler is connected directly to the calciner. In this embodiment, a furnace, in particular a rotary kiln, is thus completely dispensed with. This significantly reduces the dwell time in the entire device and lowers the energy requirement. However, this requires rapid and uniform heating and thus material conversion, which is given by the equalizing effect of the mechanical fluidized bed. By using the mechanical fluidized bed reactor, it has been found that extremely uniform agglomeration of the starting material is achieved. This leads to the fact that, in addition to the excellent adhesion-free passage through the preheater and the calciner, there is also extremely good and, above all, even heating and thus conversion of the starting material. It has been shown that the starting material has already been converted after it has passed through the calciner. As a result, the long heating in the oven, which according to the prevailing opinion is necessary for complete implementation, can be dispensed with. This results in savings both in the construction of the system and, above all, in its operation.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die Wärmebehandlungsvorrichtung einen Drehrohrofen auf. Diese Ausführungsform kann bevorzugt sein, wenn eine längere thermische Behandlung des Ausgangsmaterials zu optimierten Produkteigenschaften führt.In an alternative embodiment of the invention, the heat treatment device has a rotary kiln. This embodiment can be preferred if a longer thermal treatment of the starting material leads to optimized product properties.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der mechanische Wirbelbettreaktor einen im Wesentlichen horizontal angeordneten Behälter auf. Entlang der Längsachse des Behälters ist mittig eine Welle angeordnet, wobei radial an der Welle Mischwerkzeuge angeordnet sind. Diese Mischwerkzeuge können im einfachsten Fall stabförmig und senkrecht auf der Welle angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind die Mischwerkzeuge Pflugschar-förmig ausgebildet. Beispiele für Pflugschar-förmige Mischwerkzeuge können zum Beispiel der
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der mechanische Wirbelbettreaktor wenigstens eine Fluidzuführung auf. Es können auch weitere Fluidzuführungen, insbesondere entlang der Transportrichtung des Materials, angeordnet sein. Besonders bevorzugt dient die Fluidzuführung zur Zuführung von Wasser. Wasser unterstützt die Agglomeration und führt so zu gleichmäßigeren Partikeln. Insbesondere wird durch die Zugabe von Wasser der Anteil kleinste Partikel verringert, wodurch eine Staubbildung sowie ein Anhaften von Material in den Zyklonen besonders effizient vermieden werden kann.In a further embodiment of the invention, the mechanical fluidized bed reactor has at least one fluid supply. Further fluid feeds can also be arranged, in particular along the direction of transport of the material. The fluid supply is particularly preferably used to supply water. Water supports the agglomeration and thus leads to more uniform particles. In particular, the addition of water reduces the proportion of the smallest particles, which means that dust formation and material sticking in the cyclones can be avoided particularly efficiently.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vor dem mechanischen Wirbelbettreaktor eine Fluidzuführung angeordnet. Diese kann zusätzlich oder alternativ zu einer Fluidzuführung im mechanischen Wirbelbettreaktor vorhanden sein.In a further embodiment of the invention, a fluid feed is arranged upstream of the mechanical fluidized bed reactor. This can be present in addition or as an alternative to a fluid supply in the mechanical fluidized bed reactor.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der mechanische Wirbelbettreaktor eine Brennstoffzuführung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Brennstoffzuführung auch vor dem mechanischen Wirbelbettreaktor erfolgen. Hierdurch kann der Brennstoff in die durch Agglomeration im mechanischen Wirbelbettreaktor entstehenden Partikel eingebaut werden. Dieser Brennstoff entzündet sich in späteren Prozess nach Überschreiten seiner Zündtemperatur, beispielsweise im Calcinator, und führt so zu einem wesentlich gezielteren Aufheizen des Rohmaterials.In a further embodiment of the invention, the mechanical fluidized bed reactor has a fuel feed. Alternatively or additionally, fuel can also be fed in upstream of the mechanical fluidized bed reactor. This allows the fuel to be incorporated into the particles formed by agglomeration in the mechanical fluidized bed reactor. This fuel ignites in a later process after its ignition temperature is exceeded, for example in the calciner, and thus leads to a much more targeted heating of the raw material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem mechanischen Wirbelbettreaktor und dem Vorwärmer ein Steigrohrtrockner angeordnet. Der Steigrohrtrockner hat zwei Vorteilen. Zum einen kann insbesondere Wasser, welches bei der Agglomeration im mechanischen Wirbelbettreaktor verwendet wird, ausgetragen werden. Zum anderen kann das Material auf die Eingangshöhe des Vorwärmer transportiert werden. Des Weiteren kann der Steigrohrtrockner auch zur Einstellung der Partikelgröße eingesetzt werden. Über die Gasgeschwindigkeit und gegebenfalls über einen Abscheidezyklon am oberen Ende des Steigrohrtrockners können insbesondere zu große Partikel abgetrennt und insbesondere zur erneuten Mahlung zurückgeführt werden.In a further embodiment of the invention, a rising tube dryer is arranged between the mechanical fluidized bed reactor and the preheater. The riser dryer has two advantages. On the one hand, in particular water, which is used in the agglomeration in the mechanical fluidized bed reactor, can be discharged. On the other hand, the material can be transported to the entrance height of the preheater. The riser dryer can also be used to adjust the particle size. Particles that are too large can in particular be separated off and, in particular, returned for re-grinding via the gas velocity and, if necessary, via a separating cyclone at the upper end of the riser dryer.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Zerkleinerungsvorrichtung und dem mechanischen Wirbelbettreaktor eine Homogenisierungsstufe angeordnet. Eine Homogenisierungsstufe ist besonders vorteilhaft, wenn vor der Homogenisierungsstufe Brennstoff und/oder Bindemittel zugegeben wird.In a further embodiment of the invention, a homogenization stage is arranged between the comminution device and the mechanical fluidized bed reactor. A homogenization stage is particularly advantageous if fuel and / or binding agent is added before the homogenization stage.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem mechanischen Wirbelbettreaktor und der Wärmebehandlungsvorrichtung ein Steigrohrtrockner angeordnet. Der Steigrohrtrockner hat zwei Vorteile. Zum einen kann insbesondere Wasser, welches bei der Agglomeration im mechanischen Wirbelbettreaktor verwendet wird, ausgetragen werden. Zum anderen kann das Material auf die Eingangshöhe des Vorwärmer transportiert werden.In a further embodiment of the invention, a rising tube dryer is arranged between the mechanical fluidized bed reactor and the heat treatment device. The riser dryer has two advantages. On the one hand, in particular water which is used in the agglomeration in the mechanical fluidized bed reactor can be discharged. On the other hand, the material can be transported to the entrance height of the preheater.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Behandlung von mineralischen Rohstoffen, insbesondere Lithiumerzen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- a) Zerkleinern des mineralischen Rohstoffes in einer Zerkleinerungsvorrichtung,
- b) Granulieren des Produkts aus Schritt a) in einer Granulationsvorrichtung,
- c) Wärmebehandlung des Produktes aus Schritt b) in einer Wärmebehandlungsvorrichtung.
- a) comminution of the mineral raw material in a comminution device,
- b) granulating the product from step a) in a granulating device,
- c) Heat treatment of the product from step b) in a heat treatment device.
Vorteilhafter Weise kann so das Ausgangsmaterial sehr fein vermahlen werden. Üblicherweise muss ein Kompromiss eingegangen werden. Je feiner die Materialien vermahlen werden, umso besser und homogener läuft der Brennprozess. Zu kleine Partikel sind jedoch für den Prozess störend, wie bereits ausgeführt. Da aber die Partikel nicht in der feinen gemahlenen Größe in das Verfahren eingebracht werden, entfällt diese Limitierung.In this way, the starting material can advantageously be ground very finely. Usually a compromise has to be made. The finer the materials are ground, the better and more homogeneous the firing process is. However, particles that are too small are disruptive to the process, as already explained. However, since the particles are not introduced into the process in the finely ground size, this limitation does not apply.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein mechanischer Wirbelbettreaktor als Granulationsvorrichtung ausgewählt.In a further embodiment of the invention, a mechanical fluidized bed reactor is selected as the granulation device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Granulierteller als Granulationsvorrichtung ausgewählt.In a further embodiment of the invention, a granulating plate is selected as the granulating device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Gutbettwalzenmühle als Granulationsvorrichtung ausgewählt.In a further embodiment of the invention, a material bed roller mill is selected as the granulation device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Bricketierpresse als Granulationsvorrichtung ausgewählt.In a further embodiment of the invention, a bricket press is selected as the granulation device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor und/oder in Schritt b) ein Brennstoff, insbesondere ein Brennstoff mit einer Zündtemperatur von 500°C bis 650 °C, zugegeben wird. Bevorzugt ist der Brennstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kohle, Kohlenstaub, Zellulose.In a further embodiment of the invention, a fuel, in particular a fuel with an ignition temperature of 500.degree. C. to 650.degree. C., is added before and / or in step b). The fuel is preferably selected from the group comprising coal, coal dust and cellulose.
Dieser Brennstoff entzündet sich in späteren Prozess nach Überschreiten seiner Zündtemperatur, beispielsweise im Calcinator, und führt so zu einem wesentlich gezielteren Aufheizen des Rohmaterials.This fuel ignites in a later process after its ignition temperature is exceeded, for example in the calciner, and thus leads to a much more targeted heating of the raw material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Brennstoff bis zu einem Massegehalt von höchstens 50 %, bevorzugt von höchstens 20 %, zugeführt.In a further embodiment of the invention, fuel is supplied up to a mass content of at most 50%, preferably of at most 20%.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird Brennstoff bis zu einem Massegehalt von wenigstens 0,1 %, bevorzugt von wenigstens 5 %, zugeführt.In a further embodiment of the invention, fuel is supplied up to a mass content of at least 0.1%, preferably of at least 5%.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vor und/oder in Schritt b) ein Bindemittel zugegeben. Beispielhaft und bevorzugt wird als Bindemittel Aluminiumsilikat oder ein Sulfat ausgewählt.In a further embodiment of the invention, a binder is added before and / or in step b). By way of example and with preference, aluminum silicate or a sulfate is selected as the binder.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung in Schritt c) bei einer Temperatur von wenigstens 600°C, bevorzugt bei wenigstens 800 °C, durchgeführt. In a further embodiment of the invention, the heat treatment in step c) is carried out at a temperature of at least 600.degree. C., preferably at least 800.degree.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmebehandlung in Schritt c) bei einer Temperatur von höchstens 1200°C, bevorzugt bei höchstens 1100 °C, besonders bevorzugt höchstens 1000 °C, durchgeführt.In a further embodiment of the invention, the heat treatment in step c) is carried out at a temperature of at most 1200.degree. C., preferably at most 1100.degree. C., particularly preferably at most 1000.degree.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt nach Schritt c) eine Kühlung des Produktes, wobei das Produkt bevorzugt unter 600 °C abgekühlt wird.In a further embodiment of the invention, the product is cooled after step c), the product preferably being cooled to below 600.degree.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach Schritt c) eine Zerkleinerung des Produkts durchgeführt.In a further embodiment of the invention, the product is comminuted after step c).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein nasses Vermahlen in Schritt a) und ein anschließendes Agglomerieren in Schritt b) ohne eine vorhergehende Trocknung.In a further embodiment of the invention, wet grinding takes place in step a) and subsequent agglomeration in step b) without prior drying.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung derart durchgeführt, dass der Stickstoffanteil der Gasphase im Vorwärmer kleiner als 30 Vol.-%, bevorzugt kleiner als 15 Vol.-%, besonders bevorzugt kleiner als 5 Vol.-% beträgt. Bevorzugt wird dieses erreicht, in dem als Sekundärluft bei den Brennern reiner Sauerstoff zugeführt wird. Vorteil ist, dass eine anschließende Abtrennung des entstehenden Kohlenstoffdioxids aus der Gasphase erleichtert ist. Dieses ist vorteilhaft mit der Agglomeration des Ausgangsmaterials, da Stäube bei der Abscheidung des Kohlenstoffdioxids störend sind. Stäube werden aber durch das erfindungsgemäße Verfahren gerade besonders stark reduziert. Die Abscheidung des Kohlenstoffdioxids dient dazu, die Emission klimaschädlicher Gase zu vermeiden.In a further embodiment of the invention carried out in such a way that the nitrogen content of the gas phase in the preheater is less than 30% by volume, preferably less than 15% by volume, particularly is preferably less than 5% by volume. This is preferably achieved by adding pure oxygen as secondary air to the burners. The advantage is that a subsequent separation of the resulting carbon dioxide from the gas phase is facilitated. This is advantageous with the agglomeration of the starting material, since dusts interfere with the deposition of the carbon dioxide. Dusts are, however, particularly greatly reduced by the method according to the invention. The separation of the carbon dioxide serves to avoid the emission of climate-damaging gases.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 erste Ausführungsform -
2 zweite Ausführungsform
-
1 first embodiment -
2 second embodiment
In
Von der ersten Ausführungsform unterscheidet sich die in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- ZerkleinerungsvorrichtungShredding device
- 2020th
- HomogenisierungsstufeHomogenization stage
- 3030th
- GranulationsvorrichtungGranulation device
- 4040
- SteigrohrtrocknerRiser dryer
- 5050
- VorwärmerPreheater
- 6060
- CalcinatorCalciner
- 7070
- DrehrohrofenRotary kiln
- 8080
- Kühlercooler
- 9090
- Brennerburner
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 3834215 A1 [0016]DE 3834215 A1 [0016]
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