AT503356B1 - DEVICE FOR PRODUCING PLASMA - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit in einem Gehäuse (26) angeordneten Elektroden (13, 17), die in Strömungsrichtung (a) des Plasmas hintereinander angeordnet und voneinander elektrisch isoliert sind, einer Stromquelle (14), insbesondere Gleichstromquelle und einer Gaszuführung (16) in das Gehäuse (26) im Bereich der in Strömungsrichtung gesehen ersten Elektrode (13). In Strömungsrichtung (a) gesehen ist nach der letzten Elektrode (17) eine Zuführung (19) für Wasser in das Plasma vorgesehen, wobei über die Zuführung (19) das Wasser mit Drall im Wesentlichen tagential zur Strömungsrichtung (a) einbringbar ist.Device for producing plasma with electrodes (13, 17) arranged in a housing (26), which are arranged one after the other in the flow direction (a) of the plasma and are electrically insulated from one another, a current source (14), in particular a direct current source and a gas supply (16) in the housing (26) in the region of the first electrode (13) seen in the flow direction. As seen in the flow direction (a), a feed (19) for water into the plasma is provided after the last electrode (17), wherein the water with swirl via the feed (19) can be introduced substantially diurnally to the flow direction (a).
Description
österreichisches Patentamt AT503 356B1 2010-03-15Austrian Patent Office AT503 356B1 2010-03-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung hat eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit in einem Gehäuse angeordneten Elektroden zum Gegenstand.Description The invention relates to a device for generating plasma with electrodes arranged in a housing.
[0002] Unter einem Plasma ist u. a. ein Gas zu verstehen, dass sehr hohe Temperaturen, also z. B. 10.000 K aufweist. Wird ein derartiges Plasma durch Hindurchleiten eines Gasstromes durch, insbesondere mit Gleichstrom, gespeiste Elektroden erhalten, so kann dieser Plasmagasstrom vielfältig zum Einsatz gebracht werden. So ist es beispielsweise bekannt, Erze unter zusätzlichem Einsatz von Reduktionsmitteln zu verhütten, brennbare Stoffe einer Pyrolyse zu unterwerfen. Voraussetzung für diese Verfahren ist, dass der Reaktor, in welchem diese Reaktionen durchgeführt werden, besonders hitzebeständig ist, und die gebildeten Reaktionsprodukte, insbesondere eine gebildete Schlacke, nicht zur Inkrustation eines Erzes oder der pyrolysier-ten Substanzen führt.Under a plasma u. a. to understand a gas that very high temperatures, ie z. B. 10,000 K has. If such a plasma is obtained by passing a gas stream through, in particular with direct current, fed electrodes, this plasma gas stream can be used in a variety of ways. For example, it is known to smelt ores with the additional use of reducing agents to subject combustible materials to pyrolysis. A prerequisite for these processes is that the reactor in which these reactions are carried out is particularly resistant to heat, and the reaction products formed, in particular a slag formed, does not lead to the incrustation of an ore or of the pyrolysed substances.
[0003] Derartige Vorrichtungen zum Erzeugen von Plasma weisen vielfache Verwendungsmöglichkeiten auf. So kann die Oxidation von Abfallstoffen, wie beispielsweise Klärschlamm, Lederreste, Baumrinden, Holzabfälle, Stroh u. dgl. durchgeführt werden, wobei aufgrund der hohen Temperatur nicht Kohlendioxid, sondern das bei niedrigeren Temperaturen noch oxidierbare Kohlenmonoxid entsteht. Damit entsteht bei der Oxidation in einem Plasma ein Gas, das bei tieferen Temperaturen einer exothermen Reaktion unterzogen werden kann.Such devices for generating plasma have multiple uses. Thus, the oxidation of waste materials, such as sewage sludge, leather residues, tree bark, wood waste, straw u. Like. Be performed, due to the high temperature is not carbon dioxide, but at lower temperatures still oxidizable carbon monoxide. This results in the oxidation in a plasma, a gas that can be subjected to an exothermic reaction at lower temperatures.
[0004] Es besteht das Bestreben, energiereiche Gase zu erhalten, die sodann einer weiteren Verwertung, beispielsweise in einem Kolbenmotor oder auch in einer Turbine od. dgl. zugeführt werden können. Voraussetzung hierfür ist, dass in dem zur Verbrennung vorliegenden Gemisch, insbesondere Gas, nicht nur oxidierbare Substanzen vorliegen, sondern auch zumindest ein Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, vorliegt. Obwohl Luft ein bevorzugter Spender von Sauerstoff ist, da dieselbe in ausreichender Menge vorliegt, weist Luft einen Nachteil, u. zw. den relativ hohen Gehalt mit 78,08 Vol.-% an Stickstoff, auf. Dieser Stickstoff führt bei der Verbrennung zu Stickoxiden, welche mit hohem technischem Aufwand zu unbedenklichen chemischen Verbindungen, bevorzugt erneut Stickstoff, umgewandelt werden müssen.There is a desire to obtain high-energy gases, which then od another reuse, for example, in a piston engine or in a turbine or the. Like. Can be supplied. The prerequisite for this is that present in the mixture present for combustion, in particular gas, not only oxidizable substances, but also at least one oxidizing agent, usually oxygen, is present. Although air is a preferred donor of oxygen since it is in sufficient quantity, air has a disadvantage, i.a. zw. the relatively high content of 78.08% by volume of nitrogen. This nitrogen leads to nitrogen oxide during combustion, which must be converted with high technical effort to harmless chemical compounds, preferably again nitrogen.
[0005] Es besteht somit der Bedarf, einen Sauerstofflieferanten, gegebenenfalls zusätzlichen Sauerstofflieferanten, zur Verfügung zu haben, der keinen Stickstoff aufweist und somit nicht zu zusätzlichen unerwünschten Stickstoffoxiden führt.There is thus a need to have an oxygen supplier, optionally additional oxygen suppliers available, which has no nitrogen and thus does not lead to additional unwanted nitrogen oxides.
[0006] Es ist bekannt, dass bei hohen Temperaturen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Dabei besteht der Vorteil, dass einerseits reiner Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden kann und andererseits zusätzlich zum Energieaufwand auch Wasserstoff entsteht, welcher sodann mit einer exothermen Reaktion erneut oxidiert werden kann. Durch diese Vorgangsweise kann erreicht werden, dass der Aufwand zur Umwandlung der Stickoxide reduziert wird.It is known that at high temperatures, water is decomposed into hydrogen and oxygen. There is the advantage that, on the one hand, pure oxygen can be made available and, on the other hand, hydrogen is also produced in addition to the energy expenditure, which can then be reoxidized with an exothermic reaction. By this procedure can be achieved that the cost of converting the nitrogen oxides is reduced.
[0007] Die vorliegende Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, wie er durch die nicht vorveröffentlichte österreichische Patentanmeldung A 1662/2002 vom 04.11.2002 gegeben ist. In dieser Patentanmeldung ist eine Vorrichtung zum Aktivieren, insbesondere Vergasen, von Kohlenstoff enthaltenden Substanzen beschrieben, die eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma aufweist. Bei dieser Vorrichtung sind in einem Gehäuse Elektroden in Strömungsrichtung des Plasmas hintereinander angeordnet und voneinander elektrisch isoliert, welche mit Strom, insbesondere Gleichstrom, versorgt sind. Weiters ist eine Gaszuführung in das Gehäuse im Bereich der in Strömungsrichtung gesehen ersten Elektrode angeordnet. Diese Vorrichtung weist zusätzliche Einrichtungen zur Einleitung von Sauerstoff bzw. Energie tragenden Gasen auf.The present invention is based on a prior art, as given by the unpublished Austrian patent application A 1662/2002 of 04.11.2002. In this patent application, an apparatus for activating, in particular gasifying, carbon-containing substances is described, which has a device for generating plasma. In this device, electrodes in the flow direction of the plasma are arranged behind one another in a housing and are electrically insulated from one another, which are supplied with current, in particular direct current. Furthermore, a gas supply in the housing in the region of the first electrode seen in the flow direction is arranged. This device has additional facilities for the introduction of oxygen or energy-carrying gases.
[0008] Die europäische Patentanmeldung 1 270 508 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma, die ein Gehäuse aufweist, wobei die Elektroden in Strömungsrichtung der Gase hintereinander angeordnet sind und anzunehmen ist, wenn auch nicht gesichert, dass die Elektroden elektrisch isoliert hintereinander angeordnet sind. Die Stromquelle kann eine Gleich- 1/7 österreichisches Patentamt AT503 356B1 2010-03-15The European patent application 1 270 508 A1 discloses a device for generating plasma, which has a housing, wherein the electrodes are arranged one behind the other in the flow direction of the gases and is assumed, although not sure that the electrodes are arranged electrically isolated one behind the other , The power source can be an equal 1/7 Austrian Patent Office AT503 356B1 2010-03-15
Stromquelle darstellen. In das Gehäuse, in welchem die Elektroden angeordnet sind, ist auch eine Gaszuführung vorgesehen, wobei das Gas aus Luft und einem weiteren kohlenstoffhaltigem Gas besteht. Die Zuführung des Gases in das Gehäuse erfolgt vor der ersten Elektrode. Weiters ist eine Zuführung von Wasserdampf vorgesehen, die unmittelbar bei der ersten Elektrode erfolgt, so dass die Einleitung des Wasserdampfes nicht nach der letzten Elektrode erfolgt. Die Einleitung des Wasserdampfes erfolgt parallel zur Strömungsrichtung entlang einer ringförmigen Öffnung im Gehäuse, und zwar in Richtung parallel zum Plasma.Represent power source. In the housing in which the electrodes are arranged, also a gas supply is provided, wherein the gas consists of air and another carbon-containing gas. The supply of the gas into the housing takes place in front of the first electrode. Furthermore, a supply of water vapor is provided, which takes place directly at the first electrode, so that the introduction of the water vapor does not take place after the last electrode. The introduction of the water vapor takes place parallel to the flow direction along an annular opening in the housing, in the direction parallel to the plasma.
[0009] Die EP 1 227 142 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff mittels eines Lichtbogen-Plasmareaktors, wobei Wasser in eine Wasserdampferzeugungszone eingebracht wird. Zur Vorwärmung des Wassers sind spiralförmige Leitungen vorgesehen, wobei das Wasser vor den ersten in Strömungsrichtung gesehenen Elektroden dem Reaktor zugeführt wird.EP 1 227 142 discloses a device for generating hydrogen by means of an arc plasma reactor, wherein water is introduced into a steam generation zone. For preheating the water helical lines are provided, wherein the water is supplied to the reactor before the first seen in the flow direction electrodes.
[0010] In der russischen Patentschrift 2 055 449 wird eine Plasmavorrichtung beschrieben, bei welcher über einen Wirbler zwischen den Elektroden Wasserdampf eingebracht wird.In the Russian patent specification 2 055 449 a plasma apparatus is described in which water vapor is introduced via a swirler between the electrodes.
[0011] In der japanischen Patentanmeldung 2001040373 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines CO-reichen synthetischen Gases aus kohlenstoffhaltigen Substanzen und Wasser mittels mehrerer, abwechselnd wirksamer Plasmabögen beschrieben.In Japanese Patent Application 2001040373 an apparatus and a method for producing a CO-rich synthetic gas from carbonaceous substances and water by means of a plurality of alternately effective plasma arc is described.
[0012] In der japanischen Patentanmeldung 2001332399 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma beschrieben, die mit einem Dampferzeuger, der außerhalb der Austrittsdüse für das Plasma angeordnet ist, verbunden ist.In the Japanese patent application 2001332399 a device for the production of plasma is described, which is connected to a steam generator, which is arranged outside the exit nozzle for the plasma.
[0013] Die japanische Patentanmeldung Nr. 2004111137 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung von Plasma aus flüssigem, Wasserstoff erzeugendem Rohmaterial, welches aus flüssigem organischem Material und Wasser besteht.Japanese Patent Application No. 2004111137 discloses a method for producing plasma from liquid hydrogen generating raw material consisting of liquid organic material and water.
[0014] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma zu schaffen, bei welcher ein Gas erzeugt werden kann, das energiereich ist und weniger Stickstoff enthält, als es aufgrund des Stickstoffgehaltes der Luft bedingt wäre. Weiters soll zwischen den Elektroden ein ungestörter Stromfluss gewährleistet sein, um ein ungestörtes Plasma zu ermöglichen.The object of the present invention is to provide a device for generating plasma, in which a gas can be generated, which is high in energy and contains less nitrogen than would be due to the nitrogen content of the air. Furthermore, an undisturbed current flow should be ensured between the electrodes to allow an undisturbed plasma.
[0015] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit in einem Gehäuse angeordneten Elektroden, die in Strömungsrichtung des Plasmas hintereinander angeordnet und voneinander elektrisch isoliert sind, einer Stromquelle, insbesondere Gleichstromquelle, einer Gaszuführung in das Gehäuse im Bereich der in Strömungsrichtung gesehen ersten Elektrode, besteht im Wesentlichen darin, dass in Strömungsrichtung gesehen nach der letzten Elektrode, eine Zuführung für Wasser in das Plasma vorgesehen ist, wobei über die Zuführung das Wasser mit Drall im Wesentlichen tagential zur Strömungsrichtung einbringbar ist.The inventive apparatus for generating plasma with arranged in a housing electrodes, which are arranged one behind the other in the flow direction of the plasma and electrically insulated from each other, a current source, in particular DC power source, a gas supply into the housing in the region of the first electrode in the flow direction, consists essentially in the fact that seen in the flow direction after the last electrode, a supply of water is provided in the plasma, wherein the supply via the water with swirl substantially tagential to the flow direction can be introduced.
[0016] Durch die Anordnung der Elektroden in Strömungsrichtung des Plasmas hintereinander, kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden, wobei die elektrische Isolierung untereinander die erforderliche elektrische Beaufschlagung ermöglicht. Die Gaszuführung in das Gehäuse im Bereich der ersten Elektrode ermöglicht eine besonders rasche Beaufschlagung des Gases durch den elektrischen Strom, so dass Energieverluste vermieden werden können. Ist in Strömungsrichtung gesehen nach der ersten Elektrode eine Zuführung zum Einleiten von Wasser in das Plasma vorgesehen, so ist eine zu hohe elektrische Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und damit ein höherer Energieverbrauch besonders einfach vermieden, wobei gleichzeitig das Wasser in das bereits mit hohen Temperatur vorliegenden Plasma eingeleitet werden kann, so dass eine Zersetzung in Wasserstoff und Sauerstoff sicher eingeleitet ist. Da über die Zuführung das Wasser bezogen auf die Strömungsrichtung mit Drall, in Strömungsrichtung, einbringbar ist, kann ein besonders stabiler und gleichmäßiger Plasmastrom erreicht werden. Die Zuführungen für das Wasser sind hierbei quer zur Strömungsrichtung, nicht radial, also nicht normal zur Strömungsrichtung, angeordnet und auch in Strömungsrichtung orientiert.By the arrangement of the electrodes in the flow direction of the plasma in succession, a particularly high efficiency can be achieved, wherein the electrical insulation with each other enables the required electrical impingement. The gas supply into the housing in the region of the first electrode allows a particularly rapid admission of the gas by the electric current, so that energy losses can be avoided. Is seen in the flow direction after the first electrode provided a supply for introducing water into the plasma, so too high electrical conductivity between the electrodes and thus a higher energy consumption is particularly easy to avoid, while the water in the already present at high temperature plasma can be initiated so that decomposition into hydrogen and oxygen is safely initiated. Since the supply of water with respect to the flow direction with swirl, in the flow direction, can be introduced, a particularly stable and uniform plasma flow can be achieved. The feeds for the water are in this case transversely to the flow direction, not radially, that is not normal to the flow direction, arranged and oriented in the flow direction.
[0017] Ist die Zuführung zum Einleiten von Wasser mit am Umfang des Gehäuses angeordneten, das Gehäuse durchdringenden Ausnehmungen gebildet, so ist eine besonders einfache 2/7 österreichisches Patentamt AT503 356B1 2010-03-15If the supply for introducing water with arranged on the circumference of the housing, the housing formed penetrating recesses, so is a particularly simple 2/7 Austrian Patent Office AT503 356B1 2010-03-15
Konstruktion gewährleistet, die damit auch besonders betriebssicher ist.Construction ensures that it is also very reliable.
[0018] Weisen die Ausnehmungen ein gemeinsame Abdeckung in Abstand von den Ausnehmungen auf, die das Gehäuse umfasst und wodurch ein Zuleitungskanal für das Wasser gebildet ist, so ist eine weitere Vereinfachung der konstruktiven Ausbildung der Zuführung für das Wasser gebildet, wobei durch entsprechende Ausbildung der gemeinsamen Abdeckung eine gleichmäßige Beschickung der Ausnehmungen mit Wasser gewährleistet sein kann.Assign the recesses on a common cover at a distance from the recesses, which comprises the housing and whereby a supply channel for the water is formed, a further simplification of the structural design of the supply for the water is formed, wherein by appropriate training of the common coverage a uniform feed of the recesses can be ensured with water.
[0019] Ist eine Wasserdampfquelle vorgesehen, so kann ein zusätzlicher Energieeintrag durch die Verdampfung von Wasser zu Wasserdampf auf einfache Weise erfolgen, wobei gleichzeitig eine leichte Anpassung der eingebrachten Wassermenge an die eingebrachte Menge des Plasma bildenden Gases erreicht werden kann.If a source of water vapor is provided, then an additional energy input by the evaporation of water to steam can be done in a simple manner, at the same time a slight adjustment of the introduced amount of water to the introduced amount of the plasma-forming gas can be achieved.
[0020] Ist es erstrebt, das Wasser nicht dampfförmig, sondern in flüssiger Form in das Plasma einzubringen, so kann im Gehäuse eine nach der letzten Elektrode ringförmige Leitung mit zum Gehäuseinneren weisenden Bohrungen vorgesehen sein, wobei die ringförmige Leitung mit einer Zuführung für das Wasser verbunden ist. Je nach Druck des zugeleiteten Wassers und der Öffnungen kann eine Zerstäubung des Wassers erfolgen, wobei unter Berücksichtigung der prozentuell vergrößernden Oberfläche von einzelnen Wassertröpfchen, je größer die Zerstäubung ist, eine umso raschere Verdampfung des Wassers erfolgen kann. Durch die ringförmige Anordnung kann sichergestellt werden, dass eine gleichförmige Dotation des Plasmas mit Wasser sichergestellt ist.If it is desired not to introduce the water in vapor form, but in liquid form in the plasma, it may be provided in the housing with an annular ring to the inside of the housing with the holes facing the housing interior, wherein the annular conduit with a feed for the water connected is. Depending on the pressure of the supplied water and the openings, a sputtering of the water can take place, taking into account the percentage enlarging surface of individual water droplets, the greater the atomization, the more rapid evaporation of the water can take place. The annular arrangement can ensure that a uniform doping of the plasma with water is ensured.
[0021] Ist die Zuführung zum Einleiten des Wassers mit einer Heizung versehen, so kann eine raschere Verdampfung des Wassers erreicht werden, wobei unter Abhängigkeit des Druckes das Wasser über seine Verdampfungstemperatur bei Normaldruck zur Verdampfung gebracht werden kann.If the supply is provided for introducing the water with a heater, a faster evaporation of the water can be achieved, wherein the water can be brought to its evaporation at normal pressure for evaporation, depending on the pressure.
[0022] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.
[0023] Es zeigen: [0024] Fig. 1 einen Reaktor mit Plasmainjektor, [0025] Fig. 2 einen Plasmainjektor und [0026] Fig. 3 eine Vorrichtung zum Einbringen von Wasser in einen Plasmainjektor.Fig. 1 shows a reactor with a plasma injector, Fig. 2 shows a plasma injector, and Fig. 3 shows a device for introducing water into a plasma injector.
[0027] Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Reaktor 1 weist eine Öffnung 2 auf, über welche Kohlenstoff enthaltende Substanzen, im vorliegenden Fall Holzchips 3, über ein Förderrad 4 kontinuierlich in den Reaktor eingebracht werden. Am unteren Ende des Reaktors sind, bezogen auf den im Querschnitt kreisförmigen Reaktor, in Abstand von 120° jeweils Plasmainjektoren 5 angeordnet, die eine Zuleitung 6 für das Plasma bildende Gas, im vorliegenden Fall Luft, aufweisen sowie mit Stromleitungen 7 für die Elektroden verbunden sind. Unterhalb der Plasmastrahlen 8 ist ein Wanderrost 9 angeordnet, der an den beiden Rollen 10 umgelenkt und angetrieben wird.The reactor 1 shown schematically in Fig. 1 has an opening 2, via which carbon-containing substances, in the present case wood chips 3, are continuously introduced via a feed wheel 4 in the reactor. At the lower end of the reactor, plasma injectors 5, which have a feed line 6 for the plasma-forming gas, in this case air, and are connected to power lines 7 for the electrodes, are arranged at a distance of 120 ° relative to the circular reactor , Below the plasma jets 8, a traveling grate 9 is arranged, which is deflected and driven on the two rollers 10.
[0028] Die Holzchips 3 fallen schwerkraftbedingt im Reaktor nach unten und werden in den Plasmastrahlen 8 unter teilweiser Oxidation vergast, welches Gas über die Öffnung 11 zum Abzug gelangt. Die festen bzw. flüssigen Rückstände fallen auf den Wanderrost 9, werden dort weiter vergast und können sodann über die Öffnung 12 abgezogen werden.The wood chips 3 fall by gravity in the reactor down and are gasified in the plasma jets 8 under partial oxidation, which gas passes through the opening 11 for withdrawal. The solid or liquid residues fall on the traveling grate 9, are further gasified there and can then be withdrawn through the opening 12.
[0029] In Fig. 2 ist ein Plasmainjektor mit einem mehrteiligen Gehäuse 26 dargestellt, der eine stabförmige Elektrode 13 aufweist, die vorzugsweise mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 14 verbunden ist, die auch einen gepulsten Gleichstrom abgeben kann. Mit der Gleichstromquelle ist eine Zusatzelektrode 15 verbunden, mit welcher der Widerstand zwischen den Elektroden aufgrund der geringeren relativen Entfernung leichter überwunden werden kann, um den Lichtbogen zu zünden. Im Bereich der stabförmigen Elektrode 13 sind vorder ersten Elektrode 13 Zuleitungen 16 für das Plasma bildende Gas, im vorliegenden Fall Luft, vorgesehen.In Fig. 2, a plasma injector is shown with a multi-part housing 26 having a rod-shaped electrode 13, which is preferably connected to the negative pole of a DC power source 14, which can also deliver a pulsed direct current. Connected to the DC power source is an auxiliary electrode 15, with which the resistance between the electrodes can be more easily overcome due to the smaller relative distance in order to ignite the arc. In the region of the rod-shaped electrode 13, leads 16 for the plasma-forming gas, in this case air, are provided in front of the first electrode 13.
[0030] In Strömungsrichtung a des Plasmas sind weitere Elektroden 17 vorgesehen, in deren Bereich zusätzlich über Öffnungen 18 ein Plasma bildendes Gas, im vorliegenden Fall Luft, 3/7In the flow direction a of the plasma further electrodes 17 are provided, in the region in addition via openings 18, a plasma-forming gas, in the present case air, 3/7
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| Publication number | Publication date |
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| AT503356A1 (en) | 2007-09-15 |
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Legal Events
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| MM01 | Lapse because of not paying annual fees |
Effective date: 20110730 |