CN101433904B - 城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于包括垃圾分类、预处理和非金属无机物质处理，有机物质裂解、过滤、重整和合成燃料油和有机物质副产物的处理工序；本发明垃圾处理完全，彻底，整个处理过程无二次污染，真正实现了垃圾的完全转化和利用。本技术用于处理有机物质废弃物等，包括城市生活垃圾的有机物质部份及各种动植物弃物，既能解决城市垃圾造成的环境问题和废弃物的浪费，又有效地产生了能源和回返于土地的缓释化肥，实现可再生能源的绿色循环的循环。运用的方案在整个过程能耗合理，没有污染，产品可控、产值高，原料来源稳定可靠，可持续发展。

Description

城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺

技术领域

本发明涉及一种城市生活垃圾综合处理工艺，特别是一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺。

背景技术

城市生活垃圾无害处理和能源短缺问题是当今时代的重要课题之一，

目前世界范围内广泛采用的垃圾处理技术方案，特别是对有机物而言，仍然存在着难以克服的问题，可分述如下：

1、焚烧法。

一方面产生的热量用于发电和供暖，另一方面最大弊端是在焚烧垃圾时产生二恶英等有害气体，再次污染环境。同时焚烧处理的前期投入较大，焚烧相关设备易于损坏，更换周期短，且能量转化效率很低，如果要解决环保问题，相应代价很高，造成无法盈利运作的局面。

2、填埋法

填埋法中大量垃圾污水由地表渗入地下，对城市环境和地下水源造成严重污染，而且占用大量土地资源，并且还会产生有毒气体，因此这种垃圾处理方式已渐渐被政策限制或者取消。

3、堆肥法。

堆肥法中因生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易造成土壤和地下水质污染，选择性强，很多垃圾成分无法生物降解。所以，堆肥的规模不易太大，更不能对垃圾进行综合处理。

4、生物处理法。

生物发酵法，曾一度成为垃圾处理的一个重要探索，其基本优势就是能够部分地利用废弃物，产出有价值的乙醇。但是发酵本身就会产生一些难以处理的酸性废液，并且生产工艺效率很低(周期长，产益比小)，并且对垃圾有很强的选择性，这就极大地限制了这个工艺的应用，更难以大量处理日常垃圾。世界各国，尤其欧洲国家所上的几个试验厂，过去十年的运作，没有一家是盈利的，全部都在政府的补贴下进行，并且是定向处理比较单纯的废弃物，如木渣，酒糟，糖渣，油渣等。

近几年美国、欧洲和亚洲一些国家都在积极探索有机质可再生能源的技术。热裂解重整的方法被普遍认证，最大的难题就是能耗大，因而产品成本偏高，再者就是难以避免废气废渣的产生。通过选择合适菌种对垃圾中的有些有机物质进行生物发酵，可降解合成醇类，甲烷等燃料，残渣可在处理后部分用作肥料。由于方法本身不可避免地生成有害和污染物质，加之生成的产品需要复杂的分离，废弃物也需要特殊的处理，且过程周期长，这些特点决定了生物处理法的局限性和高成本，因此一直不能作为主要处理垃圾手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，该工艺可以将城市生活垃圾经过热裂解、重整和合成产出有效的缓释化肥和汽、煤、柴油等再生能源；工艺过程中的中间产物可以循环使用，惰性残渣经过热改性，用于制备建筑用砖、填路等多种用途。

本发明的目的是这样实现的，一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于包括以下步骤：

(1)垃圾分类、预处理和非金属无机物质处理：

a.分离液体垃圾：混合垃圾送至滚压粉碎机将非金属无机物质粉碎，同时将多余水份和垃圾滤液挤压分离出液体垃圾和固体垃圾；挤压过程中分离出的液体垃圾进入污水处理系统，液体垃圾中的废水经净化处理后排放、利用；

b.分离固体垃圾：将固体垃圾压碎，经震动筛将石块、砖头、玻璃、煤渣这些非金属无机物质分离出来，固体垃圾可压碎至20毫米以下。

c.分离出来的非金属无机物质经有氧高温装置处理进行无机质改性，改性无机物质再利用；

d.余下垃圾通过吹浮设备分出塑料、纸张、织物这些有机物质和金属，分离出的金属直接回收利用；有机物质还可以再经剪切粉碎机粉碎至20毫米以下；

(2)有机物质裂解、过滤、重整和合成燃料油：

a.热裂解工序，(1)d中的有机物质送往热裂解工序经热裂解装置裂解出有机气体、水蒸汽和固体活性碳，固体活性碳送入化肥合成工序中的化肥合成器中；

b.过滤工序，有机气体和水蒸汽进入过滤工序经过滤装置除去含氯、硫、汞有害物质；含氯、硫、汞有害物质经回收处理工序产生的氯化钠、硫酸钠、氧化锌、活性碳再利用；

c.重整工序及燃料合成工序，除去有害物质后的有机气体和水蒸汽进入催化重整工序经催化重整装置经催化重整后进入燃料合成工序，在燃料合成器中合成后的燃料混合气体再经分馏塔分馏出汽油、煤油、柴油、石腊及混合尾气，所述尾气中包括CO₂、CO、CH_4、和水蒸汽，混合尾气送往化肥合成工序中的化肥合成器中；

(3)有机物质副产物的处理：

a.化肥合成器中固体活性碳和氨吸收所述混合尾气中的CO₂，活性碳和生成的碳酸氢铵固体再经磷酸盐的调整制成复合缓释化肥；

b.经(3)a.中吸收了CO₂的混合尾气中的水蒸汽、CO和CH_4、送往热交换器，经热量交换后，分离出水分和含有CO和CH_4、的气体，水分再利用，CO和CH_4、送往热裂解装置、催化重整装置或燃料合成器中的任一装置，做为循环使用原料。

所述的一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于(1)d中的有机物质在送往热裂解装置前先经剪切粉碎机粉碎至20毫米以下，送往热裂解装置裂解出有机气体、水蒸汽和固体活性碳。

前述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺中有机物质在热裂解装置中的反应为经流化沙浴反应过程，反应温度为500-700℃，反应中的催化剂为碱性盐，该碱性盐为KNO3或K2CO3。

前述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺中催化重整工序是在800-950℃高温下、经催化剂催化和水蒸汽常低压、水蒸汽/有机气体比为1-5∶1的条件下重整，催化重整反应中的催化剂为NiO-ZnO/Al2O3。

前述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其有机气体燃料合成工序中的燃料合成器为费托燃料合成器，燃料合成工序中的反应过程为费-托过程的浆液鼓泡法；费-托过程反应温度为200-300℃、压力为15-30大气压；催化剂为Fe2O3/CuO/Al2O3。

所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于费-托过程中放出的热量可被用于锅炉，废水处理等其它过程的热源。

本发明是一个完整有效的、无污染、完全转化利用的垃圾综合处理工艺，其优点是，垃圾处理完全，彻底，整个处理过程无二次污染，真正实现了垃圾的完全转化和利用。本技术用于处理有机物质废弃物等，包括城市生活垃圾的有机物质部份，屠宰厂动物废弃物，农业废弃物，木材加工业废弃物等林业废弃物，既能解决城市垃圾造成的环境问题和废弃物的浪费，又有效地产生了能源和回返于土地的缓释化肥，实现可再生能源的绿色循环的循环。运用的方案在整个过程能耗合理，没有污染，产品可控、产值高，原料来源稳定可靠，可持续发展。这个技术既解决了城市生活垃圾造成的环境问题，又能有效地生产高纯汽柴油等有价值的能源和回返于土地的缓释化肥(与普通化肥相比，最大的区别在于长期使用土地不会出现板结现象并不会随雨水流失等)，有效地实现了自然碳的循环。

本发明更具可行性和高效率，具有广泛的经济和社会效益。

附图说明

图1是本发明工艺流程框图。

具体实施方式

为使审查员对本发明实施有更进一步了解，下面结合附图对本发明做一详细说明。附图中虚线部分是附加的工序，如果没有这些工序，整个垃圾处理过程仍可以完成。

某地区垃圾1成份为：

纸张        3.9％

厨余/木

头          17.6％

塑料        16.1％

纤维制品    2.7％

固体渣      40.3％

金属        0.2％

水          19.3％

对该垃圾1处理的第一个实施例是：

一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，包括以下步骤：

(1)垃圾分类、预处理和非金属无机物质处理：

a.分离液体垃圾：混合垃圾1送至滚压粉碎机110将非金属无机物质粉碎，同时将水份和垃圾滤液挤压，分离出液体垃圾2和固体垃圾3；挤压过程中分离出的液体垃圾2进入污水处理系统111，液体垃圾中的废水经净化处理后排放净化水15；

b.分离固体垃圾：将固体垃圾3压碎，本实施例至碎至40毫米以下，经小于40毫米震动筛将石块、砖头、玻璃、煤渣这些非金属无机物质4分离出来；

c.分离出来的非金属无机物质4在无机质改性装置中123中经有氧高温装置处理进行无机质改性，改性无机物质13可以再利用，例如，改性无机物质13可送入制砖工序制成免烧砖，还可以利用改性无机物质13制作水泥、填路等等；

d.余下垃圾通过吹浮设备分出塑料、纸张、织物这些有机物质5和金属14，分离出的金属14直接回收利用；

在这一步骤中，经粉碎缩小有机物质的体积，有利于热裂解反应的反应体积效率的提高。

(2)有机物质裂解、过滤、重整和合成燃料油：

a.热裂解工序，(1)d中的有机物质5送往热裂解工序，经热裂解装置裂解出有机气体6、水蒸汽和固体活性碳7，固体活性碳7送入化肥合成工序120中的化肥合成器；；

b.过滤工序，有机气体6和水蒸汽进入过滤工序116，在过滤装置中气体和水蒸汽经过吹浮式吸附过滤器，除去含氯、硫、汞等有害物质16；含氯、硫、汞等有害物质16经回收处理工序124产生了氯化钠、硫酸钠、氧化锌、活性碳可以再利用物17；采用吹浮式吸附过滤器可以使处理速度加快、效率大幅提高。

c.重整工序及燃料合成工序，除去有害物质后的有机气体6-1和水蒸汽进入催化重整工序117，在流化床重整工艺中，有机气体6-1在850℃高温及催化下，经催化剂催化和水蒸汽常低压、水蒸汽/有机气体6-1比为2∶1的条件下重整，催化重整反应中的催化剂为NiO-ZnO/Al₂O₃，有机气体6-1与水蒸汽反应，生成小分子的混合气体8，该混合气体8为H₂、CO、CO₂和少量CH₄；由于下一步反应为放热过程，这些流出气体需要冷却，因而可以将该混合气体8流经前述有机质改性装置，达到热交换和热量利用的目的；重整工序同时还用做生成物(通过管式催化反应)比例调整

以期为下一步费托合成准备条件(摩尔比：H₂/CO＝1.5-2.5∶1)，本实施例中H₂/CO为1.5∶1，混合气体8经热交换除去绝大部分水后，其余混合气体不需分离，直接进入燃料合成工序。燃料合成工序118中的燃料合成器为费托反应器，燃料合成工序中118的反应过程为费-托过程，费-托过程可以采用浆液鼓泡法；在该反应器中注满合成油(如硅油)或石蜡，混入超细铁基催化剂，在稳流状态下，由间隔层热交换回收反应的热量，以水做为热交换介质并入锅炉。这一步的合成是在温度为250℃、压力为20大气压；催化剂为Fe2O3/CuO/Al2O3的条件下将CO和H₂合成为燃料混合气体8-1，该燃料混合气体8-1为-(CH₂)n-等碳氢化合物和CO₂等，在费-托过程中放出的热量可被用于锅炉，废水处理等其它过程所需的热源。经过合成的燃料混合气体，送往分馏工序119的分馏塔，在不同的温度梯度下分馏出液体汽油、柴油、煤油、固体蜡9和混合尾气10；所述混合尾气10的气体中含有水蒸汽和CO₂、和CO、CH₄等可燃气，混合尾气10送往化肥合成工序120中的化肥合成器中；

为了使有机物质5在热裂解工序114中更好地完成裂解，还可以在前述(1)d工序后让有机物质5再经剪切粉碎机113粉碎至20毫米以下。

为使热裂解的产物分离更彻底，并且大幅提高分离处理的速度和效率，还可以在热裂解工序114和过滤工序116之间增加一个气旋分离工序115，使用气旋分离设备使气体由平流变为旋流，并因此产生离心力，利用气、固体之间的重力差，将固体活性碳7、有机气体6和水蒸汽快速分离。

(3)有机物质副产物的处理：

a.化肥合成器中固体活性碳7和氨吸收所述混合尾气10中的CO₂，活性碳7和生成的碳酸氢铵固体再经磷酸盐的调整制成复合缓释化肥11；

b.经(3)a.中吸收了CO₂的混合尾气10中的水蒸汽、CO和CH_4、送往热交换工序121，经热交换器交换热量后，分离出水分13和含有CO和CH_4、的可燃气体12，在这里经过降温至80度以下，将水蒸气冷凝成水，就可以送入锅炉或其他地方再次使用了，含有CO和CH_4、的可燃气体12送往热裂解装置、催化重整装置或燃料合成器中的任一装置，做为循环使用的原料。

另外，还可以在无机质改性装置123中增加设备，以便可以把的非金属无机物4中掺杂的少量有机碎渣在无机质改性转置123中氧化热解产生的有机气体及水蒸汽送入热裂解工序114中的热裂解装置。

前述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺中有机物质5在热裂解装置114中的反应为流化沙浴反应过程，反应温度为500-700℃，本实施例为600℃，反应中的催化剂为碱性盐，本实施例中的碱性盐为KNO₃，这个过程是一个中等温度、常压的快速热裂解过程，热裂解的高能耗是制约这类技术应用的一个主要因素。本发明通过采用流化沙浴反应过程快速、高效热传递，和传统方法相比热解速度提高了近十倍，因此能耗大幅度得到了降低，为热裂解技术的应用提供了保障。

本发明的第二个实施例与上一实施例的不同之处是：

1、有机物质5在热裂解工序114中的反应温度700℃，反应中的催化剂为K₂CO₃；

2、在流化床重整工序中，有机气体6-1在900℃高温及催化下，经催化剂催化和水蒸汽常低压、水蒸汽/有机气体6-1比为5∶1的条件下重整，H₂/CO为2.5∶1；

3、在燃料合成工序118中，这一步的合成是在温度为300℃、压力为30大气压；催化剂为Fe2O3/CuO/Al2O3的条件下将CO和H₂合成为燃料混合气体8-1。

4、分离固体垃圾时，将垃圾压碎至20毫米以下，经小于20毫米震动筛将石块、砖头、玻璃、煤渣这些非金属无机物质4分离出来。

除上述不同之外，其余与实施例一均相同，此处不再赘述。

上述实施例中的工艺参数，是经多年研究、优化后的设计，其效率和产率都有大幅度地提高。

至此，全部垃圾处理已经完成，整个过程无二次污染，且处理过程中的产物被有效地利用。

经本发明处理的垃圾与现有技术处理的垃圾相比较具有明显的优点：

对比指标	垃圾填埋处理	垃圾焚烧处理	本发明
				技术应用	填埋	焚烧	无害再生处理

对比指标	垃圾填埋处理	垃圾焚烧处理	本发明
				技术特征	环境污染，占用土地面积特大。	焚烧过程中产生无法处理的二次污染，设备损耗大，能源通过燃烧的方式进行转换，效率低。	真正的绿色无污染处理方式，技术属于国际领先水平，处理生活有机垃圾过程中无二次污染，经过催化裂解处理，产成品率高，保障经济效益。对解决我国正面临的能源危机提供
			了新的技术模式。
				处理办法	利用现有的丘陵地形或深挖做防渗漏处理后填埋。	将达到一定热值的生活垃圾燃烧，入出的热量用于热发电	采取封闭式的工厂作业方式，绿色再生的处理方式。
产成品	无产成品	焚烧后的热源透过热发电机发电	通过热裂解有机物，合成汽、煤、柴等油类，碳渣制成复合缓释化肥，惰性物质改性制砖。
				技术前景	技术风险小，污染大，占用大量土地资源，趋势是立法降低填埋并限时禁止。	技术成熟，风险小，有一定污染，对垃圾热值有一定要求，转换率低，由于要发电上网，受垃圾量影响，在中小型城市难于实现，无发展空间。	高科技技术，多项技术综合应用并创新，实现生物有机物质的循环，过程为全无污染的绿色处理，基本不受城市垃圾量的制约，国内最小城市垃圾量也能满足，运用热裂解反应，对设备的损耗低，可广泛应用在各大小城市。
设计使用年限(年)	由用地大小和垃圾量决定	20年	25年
				配套设施	建设污水处理厂一座	有能力输送电上全国电网	无须其他配套设施，无剩余废弃物，无污水、气的排放。

对比指标	垃圾填埋处理	垃圾焚烧处理	本发明
				环境综合评估	占用大量土地资源，填埋法中大量垃圾污水由地表渗入地下，对城市环境和地下水源造成严重污染，处理过程本身也会生成大量的气体污染物，对周边空气造成极大污染。填埋气体包含甲烷、二氧化碳、氮气和氧气及微量元素气体。填埋气体无控制地释放与	焚烧过程中产生一种叫二恶英的有害气体，难以处理，严重影响大气环境，焚烧废渣需要占地堆放，给环境治来一定困扰污染。	真正的绿色无污染处理方式，处理生活有机垃圾过程中无任何污染排放。1、垃圾热裂解法再生能源及化肥技术，成熟可靠、先进高效、营利运作，环保无污染排放，变废为宝，同时解决垃圾处理和能源短缺的困境，实现了能源再生的可持续性发展和良性循环。2、产品缓释化肥性能优越，具有保效增效，促进作物生长，同时大幅度降低化肥流失，及消除了化肥对地下水危害等传统产品的严重缺陷。3、产品燃料油不含硫、极低芳香环，用于发动机，污染排放大幅度降低，属当今燃料油最
	逸散，不但使周边地区臭气薰天，还存在发生火灾和爆炸的危险隐患，对填埋场作业及周边环境造成隐患。填埋气体中的二氧化碳、甲烷等气体还是引发产生地球温室效应的主要组成成分。		佳品质，世界范围内归化为高纯绿色油品，更可用作化工原料，生产高端产品。4、所生成的燃气既可循环用作生产过程的热源，也可利用催化技术再用作汽油等合成。5、产品石蜡绿色环保，可用作化妆品及生日蜡烛等的原料，也可催化裂解用于合成燃油。

Claims (16)

1.一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于包括以下步骤：

(1)垃圾分类、预处理和非金属无机物质处理：

a.分离液体垃圾：混合垃圾送至滚压粉碎机将非金属无机物质粉碎，将水份和垃圾滤液挤压分离出液体垃圾和固体垃圾；挤压过程中分离出的液体垃圾进入污水处理系统，液体垃圾中的废水经净化处理后排放、利用；

b.分离固体垃圾：将固体垃圾压碎，经震动筛将石块、砖头、玻璃、煤渣这些非金属无机物质分离出来；

c.分离出来的非金属无机物质经有氧高温装置处理进行无机质改性，改性无机物质再利用；

d.余下垃圾通过吹浮设备分出塑料、纸张、织物这些有机物质和金属，分离出的金属直接回收利用；

(2)有机物质裂解、过滤、重整和合成燃料油：

a.热裂解工序，(1)d中的有机物质送往热裂解工序经热裂解装置裂解出有机气体、水蒸汽和固体活性碳，固体活性碳送入化肥合成工序中的化肥器；

b.过滤工序，有机气体和水蒸汽进入过滤工序经过滤装置除去含氯、硫、汞有害物质；含氯、硫、汞有害物质经回收处理工序产生的氯化钠、硫酸钠、氧化锌、活性碳再利用；

c.重整工序及燃料合成工序，除去有害物质后的有机气体和水蒸汽进入催化重整工序，其主要产物为含有H₂O、H₂、CO、CO₂、CH₄的混合气体，该混合气体经热交换除去绝大部分水后，其余混合物不需分离，直接进入燃料合成工序；

燃料合成工序在燃料合成器中进行，合成后的燃料混合气体再经分馏塔分馏出汽油、煤油、柴油、石蜡及混合尾气，所述尾气中包括CO₂、CO、CH₄、和水蒸汽，混合尾气送往化肥合成工序中的化肥合成器中；

(3)有机物质副产物的处理：

a.化肥合成器中固体活性碳和氨吸收所述混合尾气中的CO₂，活性碳和生成的碳酸氢铵固体再经磷酸盐的调整制成复合缓释化肥；

b.经(3)a.中吸收了CO₂的混合尾气中的水蒸汽、CO和CH₄、送往热交换器，经热量交换后，分离出水分和含有CO和CH₄、的气体，水分再利用，CO和CH₄、送往热裂解装置、催化重整装置或燃料合成器中的任一装置，做为循环使用原料。

2.根据权利要求1所述的一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于(1)d中的有机物质在送往热裂解装置前先经剪切粉碎机粉碎至20毫米以下，送往热裂解装置裂解出有机气体、水蒸汽和固体活性碳。

3.根据权利要求1所述的一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于(1)C.中的非金属无机物中掺杂的少量有机碎渣在无机质改性装置中氧化热解，产生的有机气体及水蒸汽进入热裂解装置。

4.根据权利要求1所述的一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于在(2)a的热裂解工序和(2)b的过滤工序之间还有气旋分离工序，经热裂解装置裂解出的有机气体、水蒸汽和固体活性碳经气旋分离装置再次进行分离，分离出有机气体、水蒸汽和固体活性碳。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于有机物质在热裂解装置中经流化沙浴反应过程，反应温度为500-700℃。

6.根据权利要求5所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于热裂解装置中反应的催化剂为碱性盐。

7.根据权利要求6所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于碱性盐为KNO3或K2CO3。

8.根据权利要求7所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于催化重整工序是在800-950℃高温下、经催化剂催化和水蒸汽常低压、水蒸汽/有机气体比为1-5∶1的条件下重整。

9.根据权利要求8所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于催化重整反应中的催化剂为NiO-ZnO/Al2O3。

10.根据权利要求9所述的的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于燃料合成工序中的燃料合成器为费托燃料合成器。

11.根据权利要求10所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于燃料合成工序中的反应过程为费-托过程。

12.根据权利要求11所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于费-托过程为浆液鼓泡法。

13.根据权利要求12所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于费-托过程反应温度为200-300℃、压力为15-30大气压；催化剂为Fe2O3/CuO/Al2O3。

14.根据权利要求13所述的城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于费-托过程中放出的热量被交换用于锅炉，废水处理或其它过程的热源。

15.根据权利要求1所述的一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于(1)b中的垃圾压碎至40毫米以下。

16.根据权利要求1所述的一种城市生活垃圾能源再生及无废综合利用生产工艺，其特征在于(1)b中的垃圾压碎至20毫米以下。

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