CN115417449A - 一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，包括用于接收转窑尾气的外喷文丘里，所述外喷文丘里的出气口连接至气液分离器，所述气液分离器的出气口连接至尾气系统，所述气液分离器的出液口通过泵体连接至闪蒸罐；所述闪蒸罐的出液口通过管道连接至液封槽的进料口，所述液封槽的底部的出料口通过泵体连接至成品槽的进口，所述成品槽的底部设有出口；所述闪蒸罐的出气口通过管道连接至离心式分离器。本申请利用煅烧窑尾的高温烟气对硫酸法钛白生产过程中的水解稀酸进行加热，创新性地采用闪蒸冷却的方式循环冷却，将水解稀酸进行浓缩，不仅巧妙地解决了堵塞和材料腐蚀的问题，同时充分利用高温烟气中的潜热，实现节能降耗的目的。

Description

一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统及方法

技术领域

本发明属于硫酸法钛白粉生产技术领域，具体涉及一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统及方法。

背景技术

二氧化钛，俗称钛白粉，是一种白色无机颜料。钛白粉的粘附力强，不易起化学变化，被广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业领域。目前，我国90%的钛白粉生产采用硫酸法工艺进行。

在工业硫酸法钛白粉生产过程中，偏钛酸需经过煅烧进行脱水、脱硫、晶型转化方可满足下游客户的使用要求，煅烧过程采用天然气作为热源进行加热煅烧，吨钛白煅烧过程消耗天然气210~250Nm³，煅烧窑尾产生大量的温度为300~400℃的高温烟气（转窑尾气），吨钛白产生的高温烟气量约为10000Nm³，为保证后续脱硫、除酸雾（电除雾）等设备的安全运行，需经过多种手段进行降温处理，将烟气的温度降温至70℃以下（将烟气喷淋后喷淋液的温约为70~80℃）。

目前，对于转窑尾气的降温操作，采用的普遍工艺为文丘里废水喷淋，在采用文丘里废水喷淋过程中产生的大量热水需循环冷却，不仅造成的能源的浪费，同时喷淋后废水因还有大量的亚硫酸、硫酸及硫酸盐等，导致冷却系统腐蚀严重，厂区周边环境差，无组织排放严重，无法满足企业高质量发展的需要。

因此，基于以上现状，本申请对硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统进行了进一步的设计和研究。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明提供了一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统及方法，利用煅烧窑尾的高温烟气对硫酸法钛白生产过程中的水解稀酸进行加热，创新性地采用闪蒸冷却的方式循环冷却，将水解稀酸进行浓缩，不仅巧妙地解决了堵塞和材料腐蚀的问题，同时充分利用高温烟气中的潜热，实现节能降耗的目的。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。

一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，包括用于接收转窑尾气的外喷文丘里，所述外喷文丘里的出气口连接至气液分离器，所述气液分离器的出气口连接至尾气系统，所述气液分离器的出液口通过泵体连接至闪蒸罐；所述闪蒸罐的出液口通过管道连接至液封槽的进料口，所述液封槽的底部的出料口通过泵体连接至成品槽的进口，所述成品槽的底部设有出口；所述闪蒸罐的出气口通过管道连接至离心式分离器；所述离心式分离器的出液口通过管道连接至液封槽的进料口，所述离心式分离器的排气口连接至板式冷凝器的进气口；所述板式冷凝器的出气口连接至真空泵；所述板式冷凝器的进水口及出水口通过管道连接至冷却塔并构成循环冷却水系统，该管道中设有循环水泵。

本申请中的系统，可实现钛白粉煅烧转窑尾气中余热的回收利用，同时实现了喷淋液稀硫酸浓度的提高，采用闪蒸冷却的工艺进行间接换热，彻底解决了在高温含酸烟气条件下，设备的腐蚀和换热器堵塞的问题，充分利用高温烟气中的潜热，实现节能降耗的目的。

一种优选的实施方式中，所述闪蒸罐包括并联设置的第一闪蒸罐和第二闪蒸罐。两台闪冷罐同人体的两个肺一样，均匀提供闪蒸需要的真空条件及抽气负荷，避免设备大型化在真空条件下的吸扁问题。

一种优选的实施方式中，所述液封槽上还设有出口，该出口通过管道及循环泵连接至外喷文丘里的喷淋口用于喷液，实现喷淋液的循环使用。

一种优选的实施方式中，还包括供料槽，所述供料槽通过管道及供料泵连接至循环泵的进口。该结构中，供料槽中装有钛白生产过程中的水解稀硫酸，用于补充喷淋液，实现物料的重复利用。

一种优选的实施方式中，所述板式冷凝器上的出气管上设置有用于收集冷凝液的阀组和凝水桶，该冷凝液通过管道液封至水封槽。

本申请中的硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统的方法，包括以下步骤：S10：转窑煅烧的尾气经烟道进入外喷文丘里的进口，经收缩管加速后快速通过外喷文丘里的喉管，在喉管处环形阵列布置的喷嘴将来自循环泵的喷淋液形成水膜，与转窑尾气接触，产生的气液混合物进入到气液分离器中进行分离；S20：气液混合物在气液分离器中分离后，气体进入到常规的尾气系统中，液体进入到闪蒸罐中进行闪蒸操作，闪蒸后的液体进入到液封槽中，并最终进入到成品槽中；闪蒸后的气液混合物进入到离心式分离器中进行离心式气液分离；S30：闪蒸后的气液混合物切向进入离心式分离器，在离心式分离器内进行离心运动使碱液滴进行分离，离心式分离器中的分离后的气体进入到板式冷凝器中，进行冷凝；S40：补充稀硫酸，该稀硫酸通过循环泵作为喷淋液进入到外喷文丘里中，该稀硫酸为钛白生产过程中的水解稀硫酸。

一种优选的实施方式中，步骤S30中：板式冷凝器的出气口接真空泵，板式冷凝器出气管设置有用于收集冷凝液的阀组和凝水桶，冷凝液液封至水封槽，经水封槽溢流口溢流至地沟。

一种优选的实施方式中，所述板式冷凝器设置有进水口，进水口与循环水泵出口连通，循环水泵进口接机械通风冷却塔的底部积液盘出口，板式冷凝器的出水口接机械通风冷却塔进水口，形成闭路循环；板式冷凝器的出水管设置有温度计和PH计，用于检测循环水的温度和水质。

一种优选的实施方式中，所述外喷文丘里的喉管直径为500mm~650mm，处理风量为48000m³/h~52000m³/h；所述外喷文丘里中设置有环形阵列布置的30~36个喷嘴，喷淋液流量为80m³/h~120m³/h；所述外喷文丘里通过喷淋将烟气温度由300℃~400℃降低到80℃以下。

一种优选的实施方式中，钛白生产过程中的水解稀硫酸的浓度为22~26%，喷淋后的稀硫酸温度为75℃~80℃；闪蒸罐直径外2.4~2.8m，高径比为2.0~2.5，内部设置布液槽，维持系统真空度在表压-90~95Kpa，真空度与真空泵变频连锁，在-90~95Kpa真空条件下，温度为75~80℃的稀硫酸沸腾发生闪蒸现象，闪蒸物料温度降至45~50℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统及方法，利用煅烧窑尾的高温烟气对硫酸法钛白生产过程中的水解稀酸进行加热，创新性地采用闪蒸冷却的方式循环冷却，将水解稀酸进行浓缩，不仅巧妙地解决了堵塞和材料腐蚀的问题，同时充分利用高温烟气中的潜热，实现节能降耗的目的。

附图说明

图1为本发明中的尾气余热利用系统的示意图。

图2为图1中A区域的放大图。

图3为图1中B区域的放大图。

图4为图1中C区域的放大图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

以下实施方式中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的原件，以下通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1至图4，本申请中的一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，包括用于接收转窑尾气的外喷文丘里1，转窑煅烧的尾气经烟道进入外喷文丘里1的进口，经收缩管加速后快速通过喉管，在喉管处环形阵列布置的喷嘴将来自循环泵7的喷淋液形成水膜，具体的，设置有30~36根阵列布置的喷嘴。外喷文丘里1的出气口与气液分离器2的进口连接，所述的气液分离器2中设置有搅拌桨，防止烟气带入的二氧化钛颗粒沉淀造成堵塞。气液分离器2出液口与闪冷供料泵3的进口连接，闪冷供料泵3出口分别接第一闪蒸罐4和第二闪蒸罐5的进口，并在进口管设置阀门，第一闪蒸罐4和第二闪蒸罐5的底部出液接液封槽6，同时，第一闪蒸罐4和第二闪蒸罐5的底部分别设置阀门。

本申请中，液封槽6出口接循环泵7进口，液封槽6设置有搅拌，防止物料沉淀堵塞出液口，液封槽设置有温度显示，用于显示液封槽内物料温度。本申请中的所述闪冷供料泵3和循环泵7均采用变频控制，并且闪冷供料泵3的出口设置有电磁流量计，所述电磁流量计的流量与所述的供料泵变频连锁，实现智能化控制。

本申请中，第一闪蒸罐4和第二闪蒸罐5上设置有排气口，排气口分别接离心式分离器8的进口，排气口上的出口管设置有阀门，用于切断和切换，离心式分离器8底部设置有排液口，排液口与第一闪蒸罐4和第二闪蒸罐5的底部出液口管道汇总后，接入到液封槽6中。并且，进一步的，所述的液封槽6中设置有液位计，液位计与出料泵变频连锁，保证液封槽液位，以免影响系统负压。

本申请中，离心式分离器8采用切向进入，物料在离心式分离器8内进行高速离心运动从而使小液滴进行分离，离心式分离器8顶部设置有排气口，其与板式冷凝器9的进气口连通，板式冷凝器9的出气口接真空泵10，该真空泵10设置有排气口，排气口直接排空，真空泵采用变频控制，该真空泵变频10与离心式分离器8的压力变送器进行压力连锁，实现智能联动。

本申请中，离心式分离器8直径2.4m~2.8m，分离器高径比采用2.2~3.0，离心式分离器8采用侧向切线进料，离心式分离器8内气速为2.2m/s~2.8m/s，气相中夹带的液滴飞沫在高速离心力的作用下进行分离，液滴沉降在离心式分离器8的底部排出，离心式分离器8的顶部设置有丝网除沫器，系统蒸发过程中产生的酸性雾滴在离心式分离器8中分离去除，减少了物料夹带，防止夹带的物料堵塞板式冷凝器9。

本申请中，板式冷凝器9出气管设置有阀组和凝水桶用于收集冷凝液，冷凝液液封至水封槽15，经水封槽溢流口溢流至地沟。此外，板式冷凝器9还设置有进水口，进水口与循环水泵11出口连通，循环水泵11进口接机械通风冷却塔12的底部积液盘出口，板式冷凝器9的出水口接机械通风冷却塔12进水口，形成闭路循环，板式冷凝器的出水管设置有温度计和PH计，用于检测循环水的温度和水质。

此外，进一步优选的实施例中，所述的板式换热器9的出口管道上设置有在线电导率仪，用于板式换热器9中水质的检测，防止板式换热器9板片穿孔导致水质污染，所述的板式换热器9进出口管道上设置有温度计，用于监控、显示板式换热器9的换热效率。

本申请中，液封槽6设置有出料口，出料口与出料泵13进口连通，出料泵13的出口与成品槽14进口连通。成品槽14设置有出料口，经泵输送至管式过滤机，进行回收钛白粉和除盐后进入稀酸浓缩系统；所述的成品槽14中设置有搅拌桨，防止析出的硫酸盐和二氧化钛颗粒沉淀。

此外，本申请中的转窑尾气余热利用系统在循环过程中需补充一部分水解稀酸，相关结构如下：供料泵17出口接循环泵7进口，采用变频连锁控制稳定流量向循环泵7进口供料，供料泵17进口接供料槽16出口，供料槽16内的物料来自钛白生产过程中浓度为22%~26%的水解稀硫酸。

本申请中还涉及了该尾气余热利用系统的运行方法，包括以下步骤：S10：转窑煅烧的尾气经烟道进入外喷文丘里1的进口，经收缩管加速后快速通过外喷文丘里的喉管，在喉管处环形阵列布置的喷嘴将来自循环泵7的喷淋液形成水膜，与转窑尾气接触，产生的气液混合物进入到气液分离器2中进行分离；S20：气液混合物在气液分离器2中分离后，气体进入到常规的尾气系统中，液体进入到闪蒸罐中进行闪蒸操作，闪蒸后的液体进入到液封槽6中，并最终进入到成品槽14中；闪蒸后的气液混合物进入到离心式分离器8中进行离心式气液分离；S30：闪蒸后的气液混合物切向进入离心式分离器8，在离心式分离器8内进行离心运动使碱液滴进行分离，离心式分离器8中的分离后的气体进入到板式冷凝器9中，进行冷凝；S40：补充稀硫酸，该稀硫酸通过循环泵7作为喷淋液进入到外喷文丘里1中，该稀硫酸为钛白生产过程中的水解稀硫酸。

步骤S30中：板式冷凝器9的出气口接真空泵10，板式冷凝器9出气管设置有用于收集冷凝液的阀组和凝水桶，冷凝液液封至水封槽15，经水封槽溢流口溢流至地沟。

本申请中，所述板式冷凝器9设置有进水口，进水口与循环水泵11出口连通，循环水泵11进口接机械通风冷却塔12的底部积液盘出口，板式冷凝器9的出水口接机械通风冷却塔12进水口，形成闭路循环；板式冷凝器9的出水管设置有温度计和PH计，用于检测循环水的温度和水质。

该方法中，所使用的外喷文丘里1的喉管直径为500mm~650mm，处理风量为48000m³/h~52000m³/h，优先为50000m³/h，解决了内喷文氏管在高温含硫腐蚀性气体中的腐蚀问题，同时外喷文氏管30~36个喷嘴环形阵列布置，喷淋液流量为80m³/h~120m³/h，文丘里喷淋液进口压力为0.3~0.5Mpa，在喷淋液的作用下形成水膜，烟气经收缩管加速后快速与喷淋液在喉管处充分混合形成液膜雾滴，迅速将烟气温度由300℃~400℃降低到80℃以下。

进一步的，该方法中，采用闪蒸冷却（简称闪冷）的工艺对钛白煅烧的高温烟气进行喷淋降温，降温介质采用钛白水解稀硫酸，硫酸浓度（质量分数）为22%~26%，喷淋后的稀硫酸温度为75℃~80℃，高温稀硫酸直接泵入第一闪蒸罐4和第二闪蒸罐5内进行闪蒸冷却，闪蒸罐直径外2.4~2.8m，高径比采用2.0~2.5，内部设置布液槽，维持系统真空度在表压-90~95Kpa，真空度与真空泵变频连锁，在-90~95Kpa真空条件下，温度为75~80℃的稀硫酸瞬间沸腾发生闪蒸现象，闪蒸物料温度降至45~50℃，采用连续循环的方式进行循环闪蒸冷却，经闪蒸冷却后的物料进入闪冷液封槽，一部分返回系统循环冷却，一部分直接泵至成品槽，采用连续稳定的出料方式进行出料，出料泵采用变频控制，为维持系统的物料平衡，在闪冷供料泵的进口连接有补料口，连续向系统补充水解稀酸（由钛白水洗岗位产生），巧妙地利用高温烟气的余热进行闪蒸冷却循环，大幅提高了喷淋稀硫酸的浓度。

本申请中，采用闪冷工艺对喷淋的稀硫酸进行循环冷却，解决了高温稀硫酸对设备的腐蚀，大幅降低了设备投资成本，喷淋过程中稀酸与高温烟气接触稀酸残留的硫酸氧钛发生水解，常规换热器堵塞严重，根本无法正常使用，本申请中采用直接换热，没有设置常规换热器，同时连续闪冷提高循环喷淋的稀硫酸浓度，硫酸浓度由22~26%浓缩上升至40%~45%，大幅降低了后续稀酸浓缩的蒸汽消耗，达到一举两得的效果。该浓缩过程不需要蒸汽消耗，仅需电力供能对物料进行系统循环，由“内循环”模式改为“内循环+外循环”的双循环模式，节能降耗效果显著。

本申请中，采用板式冷凝器9对闪蒸后的二次蒸汽进行冷却，板式冷凝器9器的通道间隙控制为8mm~12mm，冷却效率高，效果好，占地面积小，保证了闪冷运行的真空度，同时通过板式冷凝器9换热后的热水不仅可以用于钛白生产的水洗用水，还可以向配套的磷酸铁装置及余热锅炉进行补水。多余的热水通过冷却塔循环冷却，将热量释放与大气中，不会造成环境污染。

本申请中，采用DCS自动控制系统，对板式冷凝器的供水量进行自动调整，根据闪蒸罐内出料稀硫酸温度，自动调整供水量及真空度，确保闪蒸罐出料温度在设计温度的±2℃内，保证了系统运行的平稳，同时通过自动控制，保证了闪蒸供料泵，闪蒸液封槽的流量和液位，提高了设备运行的可靠性。

本申请中，控制闪蒸罐内的气速在1.1m/s~1.5m/s，减少物料带沫，两台闪蒸罐的进料口，出液口，排气口分别设置有阀门。闪蒸罐内设置有布料槽，物料在闪蒸内均匀沿罐壁进行蒸发冷却，两台闪冷罐同人体的两个肺一样，均匀提供闪蒸需要的真空条件及抽气负荷，避免设备大型化在真空条件下的吸扁问题。系统采用模块化标准设计，根据设备的运行负荷，配置不同数量的模块，降低了设备管理的难度。模块采用撬装结构，将不同功能的设备有机地整合撬装，减少了各种安装环节和设备的占地面积。

此外，本申请的系统中，采用自带积液盘的机械通风冷却塔，设备一体化的设计不仅减少了设备的占地面积，同时大幅提高的设备的运行效率。

以上描述可以看出，本申请中的硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统及方法，实现了现钛白粉煅烧转窑尾气中余热的回收利用，同时实现了喷淋液稀硫酸浓度的提高，采用闪蒸冷却的工艺进行间接换热，彻底解决了在高温含酸烟气条件下，设备的腐蚀和换热器堵塞的问题，同时喷淋液在循环冷却过程中稀硫酸浓度升高约20%，稀硫酸中的硫酸钙等硫酸盐溶解度降低，结晶沉淀并析出。经成品槽中转暂存过滤后在进入稀酸浓缩系统，彻底解决了稀酸浓缩系统堵塞的问题，一举多得，实现余热回收，转窑尾气降温，稀硫酸浓缩除盐等多个过程。吨钛白可节约稀酸浓缩蒸汽消耗600~800kg，实现节能降耗的目的，具有很高的经济和社会效益。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，其特征在于，包括用于接收转窑尾气的外喷文丘里（1），所述外喷文丘里（1）的出气口连接至气液分离器（2），所述气液分离器（2）的出气口连接至尾气系统，所述气液分离器（2）的出液口通过泵体连接至闪蒸罐；

所述闪蒸罐的出液口通过管道连接至液封槽（6）的进料口，所述液封槽（6）的底部的出料口通过泵体连接至成品槽（14）的进口，所述成品槽（14）的底部设有出口；

所述闪蒸罐的出气口通过管道连接至离心式分离器（8）；所述离心式分离器（8）的出液口通过管道连接至液封槽（6）的进料口，所述离心式分离器（8）的排气口连接至板式冷凝器（9）的进气口；所述板式冷凝器（9）的出气口连接至真空泵（10）；

所述板式冷凝器（9）的进水口及出水口通过管道连接至冷却塔（12）并构成循环冷却水系统，该管道中设有循环水泵（11）。

2.根据权利要求 1所述的一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，其特征在于，所述闪蒸罐包括并联设置的第一闪蒸罐（4）和第二闪蒸罐（5）。

3.根据权利要求 1所述的一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，其特征在于，所述液封槽（6）上还设有出口，该出口通过管道及循环泵（7）连接至外喷文丘里（1）的喷淋口用于喷液。

4.根据权利要求 1所述的一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，其特征在于，还包括供料槽（16），所述供料槽（16）通过管道及供料泵（17）连接至循环泵（7）的进口。

5.根据权利要求 1所述的一种硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统，其特征在于，所述板式冷凝器（9）上的出气管上设置有用于收集冷凝液的阀组和凝水桶，该冷凝液通过管道液封至水封槽（15）。

6.权利要求1至5任一项所述的硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：转窑煅烧的尾气经烟道进入外喷文丘里（1）的进口，经收缩管加速后快速通过外喷文丘里的喉管，在喉管处环形阵列布置的喷嘴将来自循环泵（7）的喷淋液形成水膜，与转窑尾气接触，产生的气液混合物进入到气液分离器（2）中进行分离；

S20：气液混合物在气液分离器（2）中分离后，气体进入到常规的尾气系统中，液体进入到闪蒸罐中进行闪蒸操作，闪蒸后的液体进入到液封槽（6）中，并最终进入到成品槽（14）中；闪蒸后的气液混合物进入到离心式分离器（8）中进行离心式气液分离；

S30：闪蒸后的气液混合物切向进入离心式分离器（8），在离心式分离器（8）内进行离心运动使碱液滴进行分离，离心式分离器（8）中的分离后的气体进入到板式冷凝器（9）中，进行冷凝；

S40：补充稀硫酸，该稀硫酸通过循环泵（7）作为喷淋液进入到外喷文丘里（1）中，该稀硫酸为钛白生产过程中的水解稀硫酸。

7.根据权利要求6所述的硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统的方法，其特征在于，步骤S30中：板式冷凝器（9）的出气口接真空泵（10），板式冷凝器（9）出气管设置有用于收集冷凝液的阀组和凝水桶，冷凝液液封至水封槽（15），经水封槽溢流口溢流至地沟。

8.根据权利要求6所述的硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统的方法，其特征在于，所述板式冷凝器（9）设置有进水口，进水口与循环水泵（11）出口连通，循环水泵（11）进口接机械通风冷却塔（12）的底部积液盘出口，板式冷凝器（9）的出水口接机械通风冷却塔（12）进水口，形成闭路循环；板式冷凝器（9）的出水管设置有温度计和PH计，用于检测循环水的温度和水质。

9.根据权利要求6所述的硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统的方法，其特征在于，所述外喷文丘里（1）的喉管直径为500mm~650mm，处理风量为48000m³/h~52000m³/h；所述外喷文丘里（1）中设置有环形阵列布置的30~36个喷嘴，喷淋液流量为80m³/h~120m³/h；所述外喷文丘里（1）通过喷淋将烟气温度由300℃~400℃降低到80℃以下。

10.根据权利要求6所述的硫酸法钛白粉转窑尾气余热利用系统的方法，其特征在于，钛白生产过程中的水解稀硫酸的浓度为22~26%，喷淋后的稀硫酸温度为75℃~80℃；闪蒸罐直径外2.4~2.8m，高径比为2.0~2.5，内部设置布液槽，维持系统真空度在表压-90~95Kpa，真空度与真空泵变频连锁，在-90~95Kpa真空条件下，温度为75~80℃的稀硫酸沸腾发生闪蒸现象，闪蒸物料温度降至45~50℃。

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