(57)【要約】本開示は、ガスアシスト液体燃料酸素反応器を用いた、液体燃料の低ＣＯ２排出ガス燃焼のためのシステム及び方法に関する。システムは、燃料及びＣＯ２を気化ゾーンに噴射する噴霧器を含み、気化ゾーンでは、燃料及びＣＯ２が気化形態に加熱される。システムは、気化燃料及びＣＯ２を受け入れる反応ゾーンを含む。システムは、空気流を有する空気室、及び空気室に熱を伝達する、空気室に隣接した加熱容器を含む。システムは、空気室及び反応ゾーンと流れ連通するイオン輸送膜を含む。イオン輸送膜は、空気流から透過するＯ２を受け取り、そのＯ２を反応ゾーンに移し、燃料の燃焼をもたらす。燃焼は熱を生じ、ＣＯ２排ガスを生成して、ＣＯ２排ガスはシステム内で再循環されて、ＣＯ２排出を制限する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスアシスト液体燃料酸素反応器システムであって、
液体燃料を受け入れるように構成された入口と噴霧燃料及びＣＯ２を噴射するように構成された出口とを有するＣＯ２補助噴霧器と、
前記噴霧液体燃料及びＣＯ２を受け入れるように構成された入口を有し、熱伝導材料で形成される外壁を有する気化ゾーンであって、前記気化ゾーンは噴霧燃料及びＣＯ２を気化した状態まで加熱するように構成されている、前記気化ゾーンと、
前記気化ゾーンと同軸上に整合され、また前記気化ゾーンと流れ連通する反応ゾーンであって、前記反応ゾーンは、前記気化ゾーンから気化燃料及びＣＯ２の流れを受け入れるように構成されている、前記反応ゾーンと、
前記気化ゾーンと同軸上に整合され、前記反応ゾーンを画定するイオン輸送膜と、
空気室であって、前記イオン輸送膜の周りに配置される構造物によって画定され、前記イオン輸送膜の外面と前記空気室構造物の内面との間の第１空間を画定し、前記空気室構造物は、熱伝導材料で形成され、前記空気室は、前記反応ゾーン内の気化燃料及びＣＯ２の流れと反対の方向に対して反対の方向に流れる空気流を受け入れるためのものである、前記空気室と、
加熱容器であって、前記空気室構造物の周りに配置される構造物によって画定され、前記空気室構造物の外面と前記加熱容器構造物の内面との間の第２空間を画定し、前記加熱容器は、熱が前記空気及び気体燃料流から前記第１空間へ伝達されるように、加熱された空気及び気体燃料流を受け入れるためのものである、前記加熱容器と、を備え、
前記イオン輸送膜は、前記空気流から透過するＯ２を提供し、前記Ｏ２を前記反応ゾーンに移して、前記空気室構造物の前記第１空間で低Ｏ２空気流をもたらすように構成され、前記反応ゾーンは、Ｏ２の存在下で、前記気化燃料及びＣＯ２を燃焼させて熱を生じ、システム内で再循環される排ガスを生成するように構成されている、前記システム。
【請求項２】
前記気化ゾーンと前記反応ゾーンとの間に位置し、前記気化燃料及びＣＯ２が前記反応ゾーンに流入する前に、望まれない汚染物質を前記気化燃料及びＣＯ２から取り除くように構成された燃料フィルターをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記気化ゾーン内に設置され、前記燃料の気化を補助するように構成された鈍頭物体をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記排ガスの前記再循環は、前記イオン輸送膜において少なくとも実質的に一定温度を維持するためのエネルギーを前記システムに提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
温度は、前記イオン輸送膜において７００℃から９００℃の間で維持される請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記ＣＯ２補助噴霧器の上流に設置される熱交換器であって、前記熱交換器は、前記空気室及び前記液体燃料から前記低Ｏ２空気流を受け入れるように構成され、前記液体燃料が前記ＣＯ２補助噴霧器内で受け入れられる前に、熱を前記低Ｏ２空気流から前記液体燃料へ伝達するように構成されている熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
管状形を有し、前記イオン輸送膜、前記空気室構造物、及び前記加熱容器構造物が互いに同心状に配置され、前記反応ゾーンは前記イオン輸送膜の内部に配設される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記イオン輸送膜は、第１及び第２平面膜を含み、前記反応ゾーンはこれらの間に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記空気室は、第１及び第２平面板を含み、前記イオン輸送膜はこれらの間に配置されている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記気化ゾーン、前記イオン輸送膜、前記空気室、及び前記加熱容器が第１反応器ユニットを画定し、少なくとも、第２反応器ユニットであって、前記第２反応器ユニットは、前記第１反応器ユニットと同一の構成を有し、前記第１及び第２反応器ユニットは、積層された配向状態である、前記第２反応器ユニットをさらに備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
ガスアシスト液体燃料酸素反応器システムであって、
液体燃料を受け入れるように構成された入口と噴霧燃料及びＣＯ２を噴射するように構成された出口とを有するＣＯ２補助噴霧器と、
前記噴霧液体燃料及びＣＯ２を受け入れるように構成された入口を有する、気化ゾーンと、
前記気化ゾーンと同軸上に整合され、また前記気化ゾーンと流れ連通する反応ゾーンであって、それにより前記反応ゾーンは、前記気化ゾーンから前記気化燃料及びＣＯ２の流れを受け入れる、前記反応ゾーンと、
前記反応ゾーン内に位置するイオン輸送膜から成り、前記反応ゾーン内の前記気化燃料及びＣＯ２の流れに対して垂直に配向している一連のチューブであって、前記チューブは、空気流を内部で受け入れ、前記イオン輸送膜を通して空気流から前記イオン輸送膜を取り囲む前記反応ゾーンへのＯ２の透過を許可するように構成されており、これにより前記イオン輸送膜の内部に低Ｏ２空気流をもたらし、前記イオン輸送膜の外部に位置する前記反応ゾーンで燃焼反応を引き起こし、前記燃焼反応は熱を生じ、システムにおいて再循環される排ガスを生成する、前記一連のチューブと、
加熱された空気及び気体燃料流に対する入口を含む加熱容器であって、前記加熱容器は、熱が前記加熱された空気及び気体燃料流から前記反応ゾーンに伝達されるように、前記反応ゾーンを取り囲む構造物によって画定される、前記加熱容器と、を備える、前記システム。
【請求項１２】
前記気化ゾーンと前記反応ゾーンとの間に位置し、前記気化燃料及びＣＯ２が前記反応ゾーンに流入する前に、不要な汚染物質を前記気化燃料及びＣＯ２から取り除くように構成された燃料フィルターをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記気化ゾーン内に設置され、前記燃料の蒸発を補助するように構成された鈍頭物体をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記排ガスの前記再循環は、前記イオン輸送膜において一定温度を維持するためのエネルギーを前記システムに提供する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記イオン輸送膜の前記一定の温度は、７００℃から９００℃の間である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ＣＯ２補助噴霧器の上流に設置される熱交換器であって、前記熱交換器は、前記チューブ及び前記液体燃料から前記低Ｏ２空気流を受け入れるように構成され、前記液体燃料が前記ＣＯ２補助噴霧器内で受け入れられる前に、熱を前記低Ｏ２空気流から前記液体燃料へ伝達するように構成されている、前記熱交換器をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記イオン輸送膜が横切って横方向に延びた状態で円筒形状を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記噴霧液体燃料及びＣＯ２、ならびに前記加熱された空気及び気体燃料流はともに、前記空気流の流れに対し少なくとも略垂直の同じ方向に流れる、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
ガスアシスト液体燃料酸素反応器における液体燃料の低ＣＯ２排出ガス燃焼方法であって、
液体燃料を気化ゾーンに注入することであって、前記燃料は、前記液体燃料及びＣＯ２を前記気化ゾーンに噴射するように構成されたＣＯ２補助噴霧器を介して注入される、注入することと、
前記液体燃料及びＣＯ２を前記気化ゾーンで気化させることであって、気化燃料及びＣＯ２の混合物をもたらす、気化させることと、
前記気化燃料及びＣＯ２の混合物を前記気化ゾーンと同軸である反応ゾーンに流入させることと、
空気の流れを空気室へ供給することであって、前記空気室及び反応ゾーンがイオン輸送膜によって分離され、Ｏ２が前記イオン輸送膜を通って前記空気の流れから前記反応ゾーンまで透過し、前記空気室で低Ｏ２空気流をもたらす、供給することと、
熱空気及び気体燃料流を前記空気室に隣接した加熱容器に送ることであって、前記熱空気及び気体燃料流からの熱は、前記加熱容器及び前記空気室を分離する伝導板を介して前記空気室に移される、送ることと、
前記反応ゾーンにおいてＯ２の存在下で、前記気化燃料及びＣＯ２を燃焼させて熱を生じ、排ガス流を生成することと、を含む、前記方法。
【請求項２０】
前記液体燃料を前記気化ゾーンに注入する前に、前記液体燃料を加熱することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記液体燃料は、熱交換器を使って加熱される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記液体燃料を加熱するステップは、
前記低Ｏ２空気流を前記反応ゾーンの上流の前記熱交換器に再循環することを含み、前記再循環された低Ｏ２空気流は、前記液体燃料を前記ＣＯ２補助噴霧器に注入する前に、熱を前記液体燃料に伝達する、前記再循環することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記液体燃料を気化させるステップは、
熱を前記熱空気及び気体燃料流から、前記気化ゾーンの外壁を裏打ちしている伝導板を介して、前記気化ゾーンに伝達することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記排ガス流を再循環して、熱を前記空気室に伝達することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記熱は、前記空気室を裏打ちしている１つまたは複数の伝導板を介して、前記空気室に伝達される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記気化燃料及びＣＯ２の混合物を前記反応ゾーンに流入させる前に、前記混合物をろ過することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記気化燃料及びＣＯ２は、燃料フィルターを使ってろ過される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記空気室及び前記イオン輸送膜は、前記反応ゾーン内に設置され、前記気化燃料及びＣＯ２の混合物の前記反応ゾーンへの流れは、前記イオン輸送膜に対して垂直である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記イオン輸送膜は、前記空気室を包囲するチューブである、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃焼及び炭素捕捉の方法及びシステムに関し、より詳細には、液体燃料の燃焼及び二酸化炭素の効率的な捕捉のための、酸素輸送反応器を含む方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料は、依然として、特に運輸業界における主なエネルギー源である。しかしながら、化石燃料の使用に伴うＣＯ２の大量産生により、地球温暖化の主要な一因にもなっている。
【０００３】
これらの化石燃料の中で、液体燃料は、その安全性と高発熱量のために、運輸業界で幅広く使用されている。液体燃料は、今もなお大量のＣＯ２をもたらすことから、ＣＯ２を捕捉するために、現在では、予燃焼技術、後燃焼技術及びオキシ燃料燃焼技術などの様々な技術が利用可能である。現在のところ、オキシ燃料燃焼技術が最も有望な炭素捕捉技術の一部であると考えられている。オキシ燃料燃焼では、酸素が燃料と共に燃焼室で燃焼され、燃焼生成物にはＣＯ２とＨ２Ｏしか含まれない。次いで、ＣＯ２とＨ２Ｏは、凝縮工程を経て分離されて、ＣＯ２のみを残し、ＣＯ２は、再利用したり、隔離工程を通して保管することができる。この工程は、例えば低温蒸留を経て得られた純粋な酸素（Ｏ２）を必要とする。しかしながら、空気中からのＯ２の分離の低温蒸留工程は、極めて費用がかさむ。
【０００４】
空気中のＯ２の分離のための、より経済性に優れ得る代替手段の１つは、イオン輸送膜（ＩＴＭ）を使用することであり、このイオン輸送膜は、酸素燃焼における空気分離ユニットに伴う不便を減らすことができる。これらのＩＴＭには、通常７００℃を上回る高温で、空気中のＯ２を分離する能力がある。これらの膜の酸素透過は、膜にわたる酸素分圧、膜の厚さ、及びこれらの膜が作用する温度に相関する。燃焼がＩＴＭを介したＯ２の分離と同時に行われる場合、このユニットは一般的に酸素輸送反応器と呼ばれる。
【０００５】
酸素輸送反応器の主な課題の１つは、膜によって得られる流量が低いことである。このような低流量下では、一定体積内で生成された発熱率は、比較的低い。
【０００６】
このように、従来技術の欠如、すなわち膜によって得られる流量が低いため、経済的に膜を加熱するという問題点に対処する酸素輸送反応器が必要である。
【発明の概要】
【０００７】
第１の態様によると、ガスアシスト液体燃料酸素反応器システムが提供される。システムは、液体燃料を受け入れるように構成された入口と噴霧燃料及びＣＯ２を噴射するように構成された出口とを有する噴霧器（例えば、ＣＯ２補助噴霧器）を含む。システムはさらに、噴霧液体燃料及びＣＯ２を受け入れるように構成された入口を有し、また外壁を有する気化ゾーンを含む。一態様では、気化ゾーンの外壁は、気化ゾーンが噴霧燃料及びＣＯ２を気化した状態まで加熱するように構成されるように、（熱）伝導板で裏打ちされている。システムはさらに、気化ゾーンと同軸上に整合され、また気化ゾーンと流れ連通する反応ゾーンを含む。反応ゾーンは、気化ゾーンから気化燃料及びＣＯ２の流れを受け入れるように構成されている。
【０００８】
一態様によると、システムはさらに、気化ゾーンと同軸上に整合され、反応ゾーンを画定するイオン輸送膜を含む。一態様によると、システムはさらに、イオン輸送膜の周りに配置される構造物によって画定され、イオン輸送膜の外面と空気室構造物の内面との間の第１空間を画定する空気室を含む。ある態様では、空気室は、反応ゾーン内の気化燃料及びＣＯ２の流れと反対の方向に空気室を流れる空気流を受け入れる。一態様では、空気室構造物は、熱伝導材料で作られ得る。
【０００９】
一態様によると、システムはさらに、空気室構造物の周りに配置される構造物によって画定され、空気室構造物の外面と加熱容器構造物の内面との間の第２空間を画定する加熱容器を含むことができる。一態様では、加熱容器は、熱が空気及び気体燃料流から第１空間へ伝達されるように、加熱された空気及び気体燃料流を受け入れる。
【００１０】
一態様によると、イオン輸送膜は、空気流から透過するＯ２を提供し、そのＯ２を反応ゾーンに移し、その結果、空気室構造物の第１空間で低Ｏ２空気流をもたらすように構成されている。反応ゾーンはさらに、Ｏ２の存在下で、気化燃料及びＣＯ２を燃焼させて熱を生じ、システム内で再循環される排ガスを作り出すように構成されている。さらなる態様では、排ガスの再循環は、システムに、イオン輸送膜において少なくとも実質的に一定温度を維持するエネルギーを提供する。一態様によると、イオン輸送膜における温度は、７００℃から９００℃の間で維持される。
【００１１】
一態様によると、システムは管状形を有し、イオン輸送膜、空気室構造物、及び加熱容器構造物が互いに同心状に配置され、反応ゾーンはイオン輸送膜の内部に配設される。
【００１２】
別の態様によると、イオン輸送膜は、第１及び第２平面膜を含み、反応ゾーンがこれらの間に配置されている。さらなる態様によると、空気室は、第１及び第２平面板を含み、イオン輸送膜がこれらの間に配置されている。さらなる態様では、気化ゾーン、イオン輸送膜、空気室、及び加熱容器が第１反応器ユニットを画定し、またシステムはさらに、第１反応器ユニットと同一の構成を有する第２反応器ユニットを含むことができるが、その場合、第１及び第２反応器ユニットが積層された配向状態である。
【００１３】
別の態様によると、システムはさらに、気化ゾーンと反応ゾーンとの間に位置する燃料フィルターを含むことができる。燃料フィルターは、気化燃料及びＣＯ２が反応ゾーンに流入する前に、不要な汚染物質を気化燃料及びＣＯ２から取り除くように構成されている。別の態様によると、システムはまた、気化ゾーン内に設置され、燃料の蒸発を補助するように構成された鈍頭物体も含むことができる。
【００１４】
別の態様によると、システムは、ＣＯ２補助噴霧器の上流に設置される熱交換器を含むことができる。熱交換器は、空気室及び液体燃料から低Ｏ２空気流を受け入れるように構成され、また液体燃料がＣＯ２補助噴霧器内で受け入れられる前に、熱を低Ｏ２空気流から液体燃料へ伝達するように構成されている。
【００１５】
別の態様では、システムは、（反応ゾーンの外部のイオン輸送膜（複数可）ではなく）反応ゾーン内に位置するイオン輸送膜から成る一連のチューブを含むことができる。一連のイオン輸送膜チューブは、反応ゾーン内の気化燃料及びＣＯ２の流れに対して垂直に配向している。イオン輸送膜チューブはまた、空気流を受け入れ、イオン輸送膜から出る空気流から反応ゾーンへのＯ２の透過を許可するように構成されており、これによりチューブ内の低Ｏ２空気流及び反応ゾーン内ならびにイオン輸送膜の外部での燃焼反応が引き起こされる。
【００１６】
別の態様によると、ガスアシスト液体燃料酸素反応器における液体燃料の低ＣＯ２排出ガス燃焼方法が提供される。方法は、液体燃料を気化ゾーンに注入することを含み、燃料は、液体燃料及びＣＯ２を気化ゾーンに噴射するように構成された噴霧器（例えば、ＣＯ２補助噴霧器）を介して注入される。方法はさらに、液体燃料及びＣＯ２を気化ゾーンで気化させることを含み、気化された燃料及びＣＯ２の混合物となって、気化燃料及びＣＯ２の混合物は、その後反応ゾーンに流れ込む。
【００１７】
別の態様によると、空気の流れは、空気室に供給され、空気室及び反応ゾーンは、イオン輸送膜によって分離され、Ｏ２は、空気の流れからイオン輸送膜を通り、反応ゾーンまで透過する。Ｏ２の反応ゾーンへの透過は、空気室で低Ｏ２空気流をもたらす。
【００１８】
別の態様によると、加熱された空気及び気体燃料流が、空気室に隣接した加熱容器に送られ、熱気及び気体燃料流からの熱は、空気室に伝達される。さらなる態様によると、熱は加熱容器及び空気室を分離する（熱）伝導板を介して伝達され得る。別の態様によると、気化燃料及びＣＯ２は、反応ゾーンにおいてＯ２の存在下で燃焼し、熱を生じ、排ガス流を生成する。
【００１９】
別の態様によると、方法はさらに、液体燃料を気化ゾーンに注入する前に、液体燃料を加熱することを含む。さらなる態様によると、液体燃料は、熱交換器を介して加熱される。さらなる態様によると、気化ゾーンに注入する前に液体燃料を加熱するステップは、低Ｏ２空気流を反応ゾーンの熱交換器上流へ再循環することを含み、再循環された低Ｏ２空気流は、熱を液体燃料に伝達する。
【００２０】
別の態様によると、方法はさらに、排ガス流を再循環して、熱を空気室に伝達することを含む。ある特定の実施形態では、熱は、空気室を裏打ちしている１つまたは複数の（熱）伝導板を介して、空気室に伝達される。
【００２１】
別の態様によると、液体燃料を気化させるステップは、熱を加熱された空気及び気体燃料流から、気化ゾーンの外壁を裏打ちしている（熱）伝導板を介して、気化ゾーンに伝達することを含む。
【００２２】
別の態様によると、方法はさらに、気化燃料及びＣＯ２の混合物を、反応ゾーンに流入する前にろ過するステップを含む。さらなる態様によると、気化燃料及びＣＯ２は、燃料フィルターを介してろ過される。
【００２３】
方法の別の態様によると、空気室及びイオン輸送膜は、反応ゾーン内に設置され、気化燃料及びＣＯ２の混合物の反応ゾーンへの流れは、イオン輸送膜に対して垂直である。さらなる態様によると、イオン輸送膜は、空気室を包囲するチューブである。
【００２４】
本出願のさらなる態様は、添付の図面とともに、以下に記載される様々な実施形態の詳細な説明を検討すると、より容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】１つまたは複数の実施形態による、円筒形状のガスアシスト液体燃料酸素反応器の断面図である。
【図２】１つまたは複数の実施形態による、複数の反応ゾーンを有する周期的な平面形状のガスアシスト液体燃料酸素反応器の実施形態の断面図である。
【図３】１つまたは複数の実施形態による、ガスアシスト液体燃料酸素反応器に伴う熱交換器の略図である。
【図４】１つまたは複数の実施形態による、直交流イオン輸送膜の動作（４Ａ）を同軸流イオン輸送膜の動作（４Ｂ）と比較する略図である。
【図５】１つまたは複数の実施形態による、直交流イオン輸送膜を有するガスアシスト液体燃料酸素反応器の実施形態の側面図である。
【図６】１つまたは複数の実施形態による、スイープガス中のＣＨ４の割合の増加に伴う、無反応例及び反応例に対するイオン輸送膜を通る酸素透過速度を示す折れ線グラフである。
【図７】１つまたは複数の実施形態による、スイープガス中のＣＨ４の割合の増加に伴う、反応ゾーンでの反応速度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本開示は、ガスアシスト液体燃料酸素輸送反応器のためのシステム及び方法を詳述する。特に、本出願は、ガス燃焼を利用する液体燃料のための低炭素放出酸素輸送反応器を開示する。１つまたは複数の実施形態では、本システムは、気化ゾーンに液体燃料及びガスの噴霧スプレーを提供するガスアシスト（例えばＣＯ２ガス）噴霧器を含む。噴霧燃料及びガスは、気化ゾーンで加熱され、燃料フィルターを透過し、反応ゾーン（酸素輸送反応器）に至る。空気の流れ（空気流）がまた、反応ゾーンに隣接した導管（容器）内へとシステムに送り込まれる。この空気流導管及び反応ゾーンは、１つまたは複数のイオン輸送膜によって分離される。空気流導管の状態により、空気流中の酸素は、イオン輸送膜を透過して反応ゾーンに至る。反応ゾーンにおける噴霧燃料及びガスならびに透過酸素の組み合わせによって、燃料が燃焼し、熱を生ずる。
【００２７】
従来の方法では、イオン輸送膜は、低流量下で動作するため、反応ゾーンによって生成される発熱率は、比較的低い。しかしながら、本出願のシステムは、噴霧ガス（例えばＣＯ２ガス）流をスイープガスとして利用して、イオン輸送膜を介して反応ゾーンで得られる酸素流量を大きくする。さらに、本システムは、システム全体でガス及び空気流を再循環させて、イオン輸送膜において一定温度を維持する、閉ループ制御システムである。例えば、反応ゾーンでのガス燃焼反応は、イオン輸送膜（複数可）を所望温度まで加熱するために利用され、またイオン輸送膜で温度を維持するのに必要なエネルギーは、反応ゾーンを出る排ガスの部分的再循環によって提供される。同様に、イオン輸送膜を通して酸素を失った後、低酸素となった空気流（流れ）もまた、気化ゾーンに流入する前に、熱交換器を介して液体燃料に熱を提供することによって、システム内の熱を再循環するために使われる。イオン輸送膜で一定温度を維持することによって、イオン輸送膜での熱応力が回避され、これにより膜安定性及び伝熱能力が改善される。
【００２８】
本出願のシステム及び方法は、システムの効率的な自己発熱、ならびにＣＯ２の排ガスからの蓄積を可能にし、これによりＣＯ２排出量を大幅に削減する。さらに、燃料の燃焼は空気ではなく酸素を使って行われるため、システムはＮＯｘを排出しない。
【００２９】
参照されるガスアシスト液体燃料酸素輸送反応器のためのシステム及び方法を、ここで添付図面を参照してより詳細に記載するが、ここではシステム及び方法の１つまたは複数の例示された実施形態及び／または配置が示される。例示された実施形態及び／または配置は、システム及び方法の単なる例であるため、システム及び方法は、決して例示された実施形態及び／または配置に限定されず、これらのシステム及び方法は、当業者によって理解されるような様々な形態で具体化され得る。したがって、本明細書で開示される、いかなる構造細部及び機能詳細も、システム及び方法を限定するものとして解釈されず、むしろシステム及び方法を実施するべく１つまたは複数の方法を当業者に教示するための代表的な実施形態及び／または配置として提供されることが理解されるべきである。
【００３０】
図１は、ガスアシスト液体燃料酸素輸送反応器の例示的なシステム１００の断面図を示す。本実施形態では、システム１００は、例えば円筒パイプのような、円筒形状を有する。少なくとも一実施形態では、システムは、水平燃料噴射スロットを有する平面形状を有することができる。本明細書で記載されるように、システム１００が円筒形状を有する場合、システムは、一連の同心円ゾーン／同心領域で構成される。システム１００は、概して第１端部１０２及び反対側の第２端部１０４を含むと考えられ得る。
【００３１】
円筒システム１００は、気化ゾーン１０５を含む。気化ゾーンは、燃料噴霧器１１５を受け入れるための入口１１０を有する。液体燃料は、燃料噴霧器１１５を介して気化ゾーン１０５に注入される。液体燃料は、メタン（ＣＨ４）を含むがこれに限定されない１つまたは複数の化合物を含むことができるが、気体燃料及び軽質液体燃料も含むことができる。１つまたは複数の実施形態では、燃料噴霧器１１５はガスアシストされている（例えばＣＯ２補助されている）。１つの代替的実施形態では、燃料噴霧器１１５は、液体燃料圧力噴霧器であってもよい。燃料噴霧器１１５は、液体燃料を受け入れるための入口１２０及び噴霧燃料及びガス（例えばＣＯ２）の液滴を気化ゾーン１０５に噴射するように構成された出口１２５を含むことができる。したがって燃料噴霧器１１５は、気化ゾーン１０５の一端を画定する。気化ゾーン１０５はさらに、図示されるように円環形状を有することができる外壁１３０を含む。１つまたは複数の実施形態では、外壁１３０は１つまたは複数の（熱）伝導板を含むことができ、これは以下でより詳細に説明されるように、噴霧（例えば、液滴）燃料及びガスを気化した状態まで加熱するために使用され得る。少なくとも一実施形態では、気化ゾーン１０５はさらに、鈍頭物体１３５を含むことができる。鈍頭物体１３５は、気化ゾーンで使用され、燃料蒸発の完了を補助したり、火炎を安定化させたりすることができる。火炎は、反応ゾーン１４５に設置されている。鈍頭物体１３５は、噴霧器１１５の下流に設置されている。
【００３２】
引き続き図１を参照して、燃料及びガス（例えばＣＯ２）の気化後、気化燃料及びガスは、燃料フィルター１４０を横断して反応ゾーン（酸素輸送反応器）１４５まで流れる。特に、ＣＯ２の噴霧器からの流れは、噴霧燃料を燃料フィルター１４０を通して押し出して、反応ゾーン１４５に至らせるスイープガスとして作用する。燃料フィルター１４０は、反応ゾーン１４５に流入する前に、望まれない汚染物質を気化燃料及びガスから取り除くことを確保する。燃料フィルター１４０は、気化ゾーン１０５を通して広がる（横断する）ため、噴霧器からの気化燃料及びガスが直接燃料フィルター１４０に流入して燃料フィルター１４０を流れる。１つまたは複数の実施形態では、また図１に示すように、反応ゾーン１４５は、気化ゾーン１０５と同軸上に整合され、またその下流に設置されている。さらに、図１に示す実施形態では、気化ゾーン１０５及び反応ゾーン１４５は、円筒形状（例えばパイプ）の最も内側の部分（中心部）に設置されている。
【００３３】
図１に示すように、１つまたは複数の実施形態では、反応ゾーン１４５は、１つまたは複数のイオン輸送膜（ＩＴＭ）１５０によって取り囲まれている。１つまたは複数の実施態様では、ＩＴＭ１５０は、セラミック材料で構成されている。例示された実施形態では、ＩＴＭ１５０は、反応ゾーン１４５をその内部に配設して円環形状を有する。少なくとも一実施形態では、例えばシステムが平面形状を有する場合などでは、ＩＴＭ１５０は、第１及び第２平面膜表面を含むことができるが、その場合、反応ゾーン１４５は２つの平面膜表面の間に配置されている。
【００３４】
模範的なＩＴＭ材料及びさらなるＩＴＭの特性は、Ｂｅｈｒｏｕｚｉｆａｒら（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｄｅｎｓｅ  Ｂａ０．５-Ｓｒ０．５Ｃｏ-０．８Ｆｅ０．２Ｏ３−δ  （ＢＳＣＦ）  Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ−ｔｙｐｅ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ．  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ：  ３８  （２０１２）；４７９７−４８１１）による公表論文で開示されており、その内容の全てが参照により本明細書に組み込まれる。Ｂｅｈｒｏｕｚｉｆａｒらによる公表論文に説明されているように、膜の厚さ及び温度がＩＴＭを横切る酸素流量に影響を及ぼし得ることが理解されるべきである。特に、ＩＴＭを横切る酸素流量は、膜周辺の温度が高くなるにつれて、また膜が薄くなるにつれて、大きくなる。
【００３５】
１つまたは複数のＩＴＭを取り囲むものは、第１導管１５５（空気室）である。第１導管１５５は、空気流に対する入口（図示せず）を含む。システム１００の他の構成部品及び特徴と同様に、第１導管１５５は、円環形状を有し、気化ゾーン及び反応ゾーンと同心であってもよい。以下に記載するように、第１導管１５５は、ＩＴＭ１５０（及び部分的に外壁１３０）及び以下に記載する外壁構造物によって画定される。反応ゾーン１４５内の気化燃料及びスイープガスの混合物は、第１導管１５５に流れる空気流から酸素を生じさせ、ＩＴＭ１５０を横切って反応ゾーン１４５に移動する。特に、反応ゾーン内のスイープガス（例えばＣＯ２）は、ＩＴＭ１５０を通して（横切って）得られた酸素の流量を大きくし、これによりＩＴＭ１５０を横切って（導管１５５内の）空気流から酸素運搬を生じさせる。
【００３６】
さらに、空気流は、スイープガス／気化燃料と反対方向に流れるため、空気流は、逆流工程でシステム１００に送り込まれる。この逆流工程は、空気流を加熱し、それによりＩＴＭに沿って一定の温度を維持するのに必要な少なくともいくらかのエネルギーを提供し、これにより膜安定性の改善が可能になる。酸素の反応ゾーン１４５への輸送は、反応ゾーン１４５での燃料の燃焼を引き起こし、これにより熱を生じる。１つまたは複数の実施形態では、スイープガスにおける燃料（例えばＣＨ４）の割合（％）が増加すると、ＩＴＭ１５０を通る酸素透過も増加し、同様に反応ゾーン１４５での反応速度も増加する（図６〜７を参照）。
【００３７】
燃焼反応は、ＣＯ２及び水蒸気を含む排ガスも生成する。１つまたは複数の実施形態では、排ガスの少なくとも一部を再循環して、（熱）伝導板１６５を介して空気流に部分加熱を提供することができ、これによりＩＴＭ１５０を横切ってより大きな酸素流量さえも提供される。空気流は、反応ゾーン１４５の燃焼ガスからの放射によって加熱される。１５５を出る加熱された空気（低酸素空気）は、第２導管１６０に循環され、１５５内の空気の温度を高く保つ。少なくとも一実施形態では、（１００の外部で燃やされた）空気及び燃料を使用した燃焼ガスは、１５５内の空気に対する熱源として第２導管１６０に通される。
【００３８】
さらに、１つまたは複数の実施形態では、排ガス内の水蒸気は、凝縮させて、本質的に排ガス流内にＣＯ２のみを残すことができ、それを蓄積してＣＯ２排出量を削減することができる。具体的には、ゾーン１５５から放出されるガスは、凝縮器（図示せず）に通され、水蒸気を凝縮して、圧縮及び蓄積することができるＣＯ２を残すことができる。
【００３９】
上記のように、導管１５５の空気流は加熱され、これによりＩＴＭ１５０に沿って一定の温度を維持するのに役立ち、膜安定性の改善が可能になる。１つまたは複数の実施形態では、動作中、ＩＴＭはおよそ７００℃からおよそ９００℃の範囲内の温度に維持される。好ましい温度の決定は、高温で達成され得る高酸素流量の最適化及びＩＴＭ材料の熱安定性及び力学的安定性の制約によって決まる。
【００４０】
多くの従来のシステムとは異なり、本出願のシステムは、空気ではなく酸素を用いて燃料の燃焼を提供するため、結果的として窒素酸化物（ＮＯｘ）を含まない排気流をもたらす。したがって本出願のシステムは、ゼロＮＯｘ排ガスシステムである。
【００４１】
引き続き図１を参照して、空気流からＩＴＭ１５０を通る酸素の透過後、第１導管１５５における低酸素となった空気流を再循環することもできる。具体的には、低酸素空気中で入手可能なエネルギーを利用して、例えば、熱交換器を用いて、燃料を、気化室１０５に流入する前に加熱することができる（図３を参照）。図１に示すように、少なくとも一実施形態では、導管１５５の低酸素空気は、外壁１３０の伝導板を介して、気化ゾーン１０５における燃料を加熱することもできる。
【００４２】
上記のように、少なくとも一実施形態では、システム１００はまた、第１導管１５５を取り囲む第２導管１６０（加熱容器）を含むこともでき、第２導管１６０及び第１導管１５５は、少なくとも１つの（熱）伝導壁／板１６５によって分離されている。したがって、（熱）伝導壁／板１６５は、第１導管１５５及び第２導管１６０の両方を画定する。（熱）伝導壁／板１６５は、円環形状を有することができる。
【００４３】
第２導管１６０は、熱空気／気体燃料流の流れに対する入口（図示せず）を含むことができる。熱空気／気体燃料流は、（熱）伝導壁／板１６５を介して第１導管１５５の空気流に熱を提供することができるため、ＩＴＭ１５０を横切って空気流からより良好な酸素流量が得られる。１つまたは複数の実施形態では、円筒システム１００はさらに、第２導管１６０の外防壁としての機能を果たす外壁１７０を含み、第２導管１６０を画定する。
【００４４】
外壁１３０とＩＴＭ１５０との間に流体シールが形成されることも理解されるであろう。図１に示すように、外壁１３０の一端は、ＩＴＭ１５０の一端に当接し、これをシールする。
【００４５】
したがって、図１に示すように、システム１００は、一連の逆方向の流体流れを可能にする一連の流路を含むことができる。より具体的には、例示された実施形態では、気化ゾーン及び反応ゾーン、ならびに第２導管１６０の流体流れは、同じ方向（平行の流路）であり、第１導管１５５の流体流れは、反対方向（逆流路）である。また、様々なゾーン及び流路は、例示された実施形態では、システム１００が一連の同心円環状帯／流路によって少なくとも一部画定された円筒形状を有するという事実により、同心円状に配置されている。
【００４６】
様々なゾーン／流路の大きさは、多様であり得、本図は、単なる例示であって、本発明を限定するものではないことが理解されるであろう。また、左から右へと図示される流れは、等しく右から左へのものであり得ることから、各流路の流れの方向は、単なる例示であって、図１を限定するものではない。
【００４７】
図１（システム１００）は、円筒形状として記載されているが、少なくとも一実施形態では、システムは、ＩＴＭ１５０が第１及び第２平面膜表面を含むことができ、そこでは、反応ゾーン１４５が２つの平面膜表面の間に配置されるように、平面形状を有し得ることも理解されるべきである。本実施形態では、第１導管１５５（空気室）は、第１及び第２平面板（伝導板１６５）を含むことができ、この間に第１及び第２平面膜表面が配置されている。さらに、第２導管１６０（加熱容器）は、平面状の外壁１７０及び平面状の伝導板１６５によって画定され得る。
【００４８】
図２は、１つまたは複数の実施形態による、複数の反応ゾーンを有する周期的な平面形状のガスアシスト液体燃料酸素反応器システム２００の第２実施形態の断面図を示す。また、少なくとも一実施形態では、例えば図１の円筒システムなどの複数の、分離された円筒システムを使用することができる。
【００４９】
図２に示すように、システム２００は、図１の実施形態と同様に機能する。単段式システムを示すシステム１００とは対照的に、システム２００は、図１を参照して記載され、また以下に説明されるように、２組の構成部品及び流路があるという点で、二段式システムを示す。
【００５０】
したがって、本実施形態では、システム２００は、例えばガス（例えばＣＯ２）アシスト噴霧器のような噴霧器２１５を受け入れるための入口２１０をそれぞれ有する２つの気化ゾーン２０５を含む。液体燃料（及びＣＯ２）は、噴霧器２１５に（入口２２０を介して）注入され、気化ゾーン２０５に（出口２２５を介して）噴射される。気化ゾーン２０５では、燃料及びＣＯ２は、（熱）伝導板２３０を使って気化される。ある特定の実施形態では、各気化ゾーン２０５はさらに、鈍頭物体２３５を含む。
【００５１】
引き続き図２を参照して、気化燃料及びＣＯ２は、燃料フィルター２４０を透過し、反応ゾーン２４５に流入し、反応ゾーン２４５はそれぞれ、各気化ゾーン２０５と同軸上に整合される。図２の周期的な平面形状では、反応ゾーン２４５はそれぞれ、ＩＴＭ２５０の間に配置されている。より具体的には、本実施形態では、ＩＴＭ２５０は、平面膜を含みことができ、そこでは、各反応ゾーン２４５が第１及び第２平面膜の間に配置されている。ＩＴＭ２５０に隣接するのは、加熱された空気流に対する入口（図示せず）を有する空気流導管２５５（空気室）である。加熱された空気流からの酸素がＩＴＭ２５０を透過して、反応ゾーン２４５に至り、その結果、気化燃料及びＣＯ２流との燃焼反応を引き起こす。燃焼反応は熱を生じ、ＣＯ２及び水蒸気を含む排ガスも生成する。排ガスの少なくとも一部を再循環させ、ＩＴＭ２５０にわたるより好ましい酸素流量のために、伝導板を介して、空気流に部分加熱を提供することができる。また、本実施形態では、排ガス内の水蒸気は、凝縮して、本質的に排ガス流内にＣＯ２のみを残すことができ、これによりＣＯ２排出量を削減するためにＣＯ２を蓄積することができる。以下に述べるように、各導管２５５は、少なくとも１つの平面状の伝導板２６５を含むことができ、これにより導管２６０の熱空気／気体燃料流から導管２５５の空気流に熱を提供する。第１実施形態のように、ＩＴＭ２５０はおよそ７００℃からおよそ９００℃の範囲内の温度に維持される。
【００５２】
空気流導管２５５の空気流から酸素を透過した後、低酸素となった空気流もまた、気化ゾーン２０５に流入する前に、例えば１つまたは複数の熱交換器を介して燃料を加熱するために再循環することができる。システム２００はまた、空気及び気体燃料導管２６０も含むことができ、これは空気流導管２５５に隣接し、導管２６０は（熱）伝導壁／板２６５によって導管２５５から分離されている。導管２６０はそれぞれ、熱空気／気体燃料流に対する入口（図示せず）を含むことができる。熱空気／気体燃料流は、（熱）伝導壁／板２６５を介して導管２５５の空気流に熱を提供することができ、それによりＩＴＭ２５０を横切って空気流からより良好な酸素流量が得られる。システム２００はさらに、空気／気体燃料流を含む導管２６０の外防壁としての機能を果たす外壁２７０を含むことができる。例えば図２の周期的な平面形状を有するようなある特定の実施形態は、時に円筒形状における外壁１７０を通じて発生し得るエネルギー損失が回避されるため、効率を高めることができる。
【００５３】
ある特定の実施形態では、システムはそれぞれ各々の気化ゾーンと同軸上に整合されるいくつかの反応ゾーン（すなわち、２つ以上）を含むことができ、各反応ゾーンが平面状ＩＴＭと空気流導管及び／または空気及び気体燃料導管の間に配置されていることが、図２から理解されるべきである。各気化ゾーン、ＩＴＭ（第１及び第２平面膜）、空気流導管、及び空気及び気体燃料導管（反応ゾーンが平面膜の間に配置される）は、集合的に反応器ユニットを構成すると考えられ、ある特定の実施形態では、例えば積層された配向状態で、２つ以上の反応器ユニットを組み合わせることができる。例えば、図２は、積層された配向状態で２つの反応器ユニットを示す。１つまたは複数の実施形態では、各反応器ユニットに対して、反応ゾーンは、第１及び第２平面膜の間に配置され、第１及び第２平面膜は、空気室（導管２５５）の第１及び第２平面板の間に配置されている。
【００５４】
１つまたは複数の実施形態では、マニホールド型構造を単一源から複数の流路を生成するために使用することができることもまた、理解されるべきである。例えば、図２に示すような周期的な平面形状では、液体燃料の単一源があり得、マニホールド構造を使用して、液体流を、複数の気化ゾーン２０５に流入する前に、複数の流路に分割することができる。ある特定の実施形態では、例えば導管２５５の空気流のような、システム内の他の同様の流体流に対する同様のマニホールド型構造もあり得る。代替方法として、少なくとも１つの実施形態では、各気化ゾーン２０５に流入させるために、各液体の燃料流に対する個別のソースがあり得、またシステム２００内の他の同様の流体流に対する個別のソースがあり得る。
【００５５】
上記実施形態で説明されるように、ＩＴＭを通る酸素の透過後の、導管１５５（または導管２５５）における低酸素空気流にあるエネルギーを利用して、１つまたは複数の熱交換器を介して、液体燃料を気化室に流入する前に加熱することができる。図３は、１つまたは複数の実施形態にしたがって、気化ゾーンに流入する前に液体燃料を加熱するための熱交換器を示す。熱交換器３０２は、気化ゾーン（複数可）の上流に設置することができる。図３に示すように、熱交換器３０２は、燃料に対する第１入口３０４、低酸素空気流に対する第２入口３０６、燃料に対する第１出口３０８、及び低酸素空気流に対する第２出口３１０を有することができる。第２入口３０６は、低酸素空気を受け入れるために空気流導管１５５（または導管２５５）に接続され得、第１出口３０８は、噴霧器１１５（または２１５）の入口１２０（２２０）に接続され得る。低酸素空気流からの熱は、当業者に既知の任意の数の方法で、熱交換器３０２内の燃料流に伝達することができる。さらに、流出する低酸素空気は通常窒素に富んでおり、例えば肥料産業などの産業工程で使用され得る。
【００５６】
上記のように、１つまたは複数の実施形態にしたがって、本出願のシステムは、ＩＴＭを所望温度まで加熱するために反応ゾーンにおける燃焼反応を使用することができるので、自己発熱であり得る。さらに、反応ゾーンから流出する排ガスの部分的再循環によって提供されるエネルギーは、ＩＴＭの温度を維持するのに役立つ。したがって、これらの実施形態では、本システムは、閉ループ制御システムであり、ＩＴＭでの熱応力を回避し、伝熱能力を改善するために、ＩＴＭの温度が一定のレベルに維持される。
【００５７】
１つまたは複数の実施形態では、各ＩＴＭは反応ゾーンを取り囲む１つの連続膜であり得る。少なくとも１つの実施態様では、ＩＴＭは一連のＩＴＭチューブであり得る。より具体的には、ある特定の実施形態では、ＩＴＭチューブは、反応ゾーン内に位置し、スイープフロー（反応ゾーンに入る噴霧燃料及びＣＯ２）に対して垂直である。すなわち、スイープフローがＩＴＭに対して垂直である実施形態では、ＩＴＭは、スイープフローがＩＴＭに対して平行である「同軸流」ＩＴＭに比べて、「直交流」ＩＴＭであるとみなされる。図４Ａ及び図４Ｂは、直交流ＩＴＭの動作（図４Ａ）を同軸流ＩＴＭの動作（図４Ｂ）と比較する略図を示す。
【００５８】
図５は、直交流イオン輸送膜を有するガスアシスト液体燃料酸素反応器の代替的実施形態の側面図を示す。本実施形態では、システム５００は、システム１００及び２００と同様に動作することができ、気化ゾーン５０５、燃料フィルター５４０、反応ゾーン５４５、ＩＴＭ５５０（本実施形態では、ＩＴＭチューブ５５０）、伝導板／壁（図示せず）、及び空気及び気体燃料流導管５６０を含むが、これらに限定されない、図１及び図２の実施形態に示すものと同じ要素の全てまたはほぼ全てを含むことができる。
【００５９】
しかしながら、上記の実施形態とは異なり、システム５００における空気流は、図５に示すように、ＩＴＭチューブ５５０に（その外部に沿って流れるのとは対照的に）直接送り込まれ、空気流からの酸素（Ｏ２）は、次いでＩＴＭチューブ５５０の内部からＩＴＭチューブ５５０の外部の反応ゾーン５４５に透過する。すなわち、本実施形態では、ＩＴＭチューブ５５０は反応ゾーン５４５内に位置し、ＩＴＭチューブ５５０の内部は空気路として機能する。先の実施形態では、反応ゾーンは、ＩＴＭチューブの内部に配設されていたが、本実施形態では、反応ゾーンは、ＩＴＭチューブ（複数可）の外部に配設されている。
【００６０】
本実施形態では、気化ゾーン５０５で液体燃料及びＣＯ２の加熱後、気化燃料及びＣＯ２流は、燃料フィルター５４０を通って反応ゾーン５４５まで流れる。ここで、気化燃料及びＣＯ２の流れは、ＩＴＭチューブ５５０に対して垂直である「直交流」の流れである。例えば、ＩＴＭチューブ５５０は、反応ゾーンの上部から下部まで垂直に配向され得る。気化燃料及びＣＯ２の直交流は、ＩＴＭチューブ５５０を通る空気流からの酸素透過を増進し、これにより反応ゾーン５４５での燃焼反応の効率を強化する。図５の実施形態の１つまたは複数の実施態様（すなわち直交流ＩＴＭ）では、排ガス流、低酸素空気流、及び空気及び気体燃料流を、１つまたは複数の熱交換器の使用を含み（図３を参照）、図１及び図２の実施形態で説明したのと同様に、システムにおいて加熱目的で再循環することができる。
【００６１】
具体的な実施形態を用いて、本発明は上記で説明されてきたが、当業者にとって明らかであろう多くの変形例及び変更例がある。このように、説明した実施形態は、全ての点において例示であり、限定ではない。したがって、本発明の範囲は、上述の記載によってではなく、添付の請求項の範囲によって示されている。請求項の範囲の意味及びこれと同等の範囲内に入る全ての変更は、これらの範囲内で採用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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