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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung basiert auf einem Verfahren zur Konvertierung von Wertstoffen und betrifft eine Anlage zur Realisierung des Verfahrens. Technologisch verarbeitbare Wertstoffe sind alle Materialen, die für eine stoffliche und energetische Verwertung mittels thermischer Verarbeitungstechniken geeignet sind, beispielsweise Kunststoffe aller Art, Gummi, Altreifen, Altöl, Wachse und Fette, Transformatoren- und Hydrauliköl, Raffinerierückstände, Bitumen und Teer, weiterhin pflanzliche Rohstoffe, Abfallholz, Span- und Möbelplatten, Papier, Baumschnitt, Sägeabfälle und dgl., toxische Stoffe, Farben und Imprägniermittel. Die Aufzählung erhebt keinen Anspruch auf Vollzähligkeit und ist im Prinzip beliebig erweiterbar.
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Stand der Technik
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Derartige Wertstoffe können bekanntermaßen thermisch zersetzt werden. Dieser Aufgabe widmet sich eine Vielzahl von Technologien und Anlagen.
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Beispielsweise ist nach
DE 27 48 510 ein Verfahren zur Verwertung von Abfallstoffen mit brennbaren Bestandteilen bekannt, bei dem die Abfallstoffe unter Luftabschluss oder bei Luftarmut einer Verflüchtigung, Zersetzung unter Freisetzung ihrer flüchtigen Bestandteile und/oder einer unvollständigen Verbrennung unterzogen werden. Die dabei frei werdenden Gase entweichen in die Umwelt, beispielsweise bei der traditionellen Holzkohleherstellung, bzw. sie werden sinnvollerweise für andere Verfahren genutzt.
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In einem Verfahren und mittels einer Vorrichtung nach
DE 42 43 063 wird Abfallkunststoff in einer ersten Stufe in einer unter Druck gesetzten Atmosphäre thermisch zersetzt. Man erhält ein Pyrolyseprodukt mit einem schweren und einem leichten Bestandteil.
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Beide Bestandteile werden in einer zweiten Stufe getrennt, wobei die schweren Bestandteile in die erste Stufe zurückgeführt werden. Die leichte Fraktion wird als Brennstofföl genutzt.
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Nach
DE 43 11 034 wird aus Kunststoffabfall ebenfalls ein Flüssigbrennstoff bzw. ein Basismaterial für die chemische Industrie hergestellt. Das Verfahren besteht im Wesentlichen darin, dass Öl als Reaktionsmedium zur Gewinnung von Polymerisationsprodukten verwendet wird. Nachfolgend werden diese voneinander getrennt. Die entstehenden koks- bzw. teerähnlichen Rückstände werden einer partiellen Hydrierung zugeführt. Bei diesem Verfahren sind Temperaturen von 250° bis 450°C, ein definierter Druck und darüber hinaus eine Reaktorverweildauer von zirka 35 Minuten erforderlich. Bei Anwendung des Verfahrens und der zugehörigen apparativen Mittel unter Einsatz von inkonstanten bzw. umdefinierten Einsatzstoffen ist die Wirksamkeit allerdings gering, und zwar wegen der hohen Investition- und Betriebskosten. Außerdem ist das Verhältnis von 1:1 des als Reaktionsmedium verwendeten Mineralöls zum Einsatzstoff nicht akzeptabel. Der große Mineralölbedarf macht das Verfahren insgesamt unattraktiv.
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Nach
DE 30 37 829 werden nach Erwärmung eines Abfallgemischs aus Polyolefinen und Polystyrol auf über 300°C in Anthracenöl, Kohlenteer oder in einer Flüssigkeit von geringer Flüchtigkeit Olefine und Benzolhomologen hergestellt. Nachteilig ist, dass das Reaktionsgemisch bei hohen Temperaturen unter Druck gehalten werden muss, weil erhebliche Mengen aromatischen Materials mit hohem Siedepunkt verarbeitet werden.
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Neuere Technologien schlagen die Verwendung von Katalysatoren vor.
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In der
DE 100 49 377 ist die katalytische Erzeugung von Dieselöl und Benzin aus kohlenwasserstoffhaltigen Abfällen und Ölen beschrieben. Auf Grund der Katalysatorenauswahl und der verwendeten Verfahrenstechnik kommt das Verfahren mit einer Reaktortemperatur von 350°C aus. Die Dieselausbeute beträgt etwa 65% und die Benzinausbeute 15%. Die Anlage lässt sich dezentral errichten. Der Katalysator vereint die katalytische Krackung, die Stabilisierung und Entchlorung von Chloranteilen des PVC. Der Katalysator, bestehend aus Natriumaluminiumsilikaten, muss allerdings in einem Umlaufverdampfer einem hochsiedenden Kohlenwasserstoff verrührt werden bei Zugabe der Abfallstoffe. Dazu werden in verschiedenen Anlagenteilen angeordnete Schleusensysteme, Pressschnecken, Rührwerke und dgl. benötigt.
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Schließlich ist in der
DE 10 2005 023 601 ein Verfahren zum Konvertieren eines fettsäure- und/oder fett- und/oder ölhaltigen Ausgangsmaterials in Abwesenheit von Sauerstoff bei einer Temperatur von 150° bis 850°C in einem Konvertierungsreaktor beschrieben, der Aktivkohle enthält, so dass ein kohlenwasserstoffhaltiges Produktgasgemisch entsteht. Das Konvertierungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess kontinuierlich betrieben wird und die Kontaktierung des Ausgangsmaterials mit der Aktivkohle in Gegenwart von Wasser und/oder eines wasserfreisetzenden Materials erfolgt. Vorzugsweise ist das Verfahren und die zugehörige Anlagentechnik für gas- oder dampfförmiges Ausgangsmaterial geeignet.
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Aufgabenstellung
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Die erfinderische Aufgabenstellung ist in der Entwicklung von apparativen Merkmalen zu sehen, die es ermöglichen, ein breites Spektrum von Wertstoffen der eingangs beschriebenen Art ohne Vorverarbeitung, beispielsweise Shreddern, zu konvertieren und dadurch wieder für weitere Verwertungsarten nutzbar zu machen, nämlich die Gewinnung von Gas und Öl und darüber hinaus die Rückgewinnung von nichtkonvertierbaren Stoffen, wie Gestein oder Metalle, zum Beispiel aus Kabeln oder Leiterplatten.
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Lösung der Aufgabenstellung
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Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Schutzanspruch 1 angegeben. Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
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Erfindungsgemäß steht ein Wertstoffkonverter, im Wesentlichen ein beheizbarer wärmeisolierter Behälter, zur Befüllung mit Hilfsstoffen und einem Wertstoffgemisch zur Verfügung. Letzteres kann nahezu homogen sein, als auch ein weites Stoffspektrum aufweisen. Der Energiegehalt des Inputmaterials sollte wenigstens 6.000 kJ/kg betragen. Zwar ist die Anlage auch unter diesem Wert funktionsfähig, allerdings müssen dann Einbußen hinsichtlich der Effektivität hingenommen werden.
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Die einzusetzenden Hilfsstoffe sind:
- – Essigsaure Tonerde mit einem Aluminiumgehalt von > 20% in einer Menge von 0,5 bis 2%, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs; Ersatzweise können auch zink- oder zirkoxidhaltige Materialien verwendet werden.
- – 0,5 bis 2% Aktivkohle, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs;
- – 0,05 bis 0,15% Siliziumsand, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs;
- – Öl, vorzugsweise Altöl bzw. gewonnenes Öl aus dem Konvertierungsprozess, in einer Menge von 3 bis 8%, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs.
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Der Wertstoffkonverter wird vor dem ersten Anfahren mit dem Wertstoffen und den Hilfsstoffen, wie angegeben, beschickt. Bei nachfolgenden Chargen müssen die verbrauchten Hilfsstoffe lediglich ersetzt werden. Danach wird er luftdicht verschlossen. Mit den Wertstoffen eingebrachtes Wasser und der enthaltene Luftsauerstoff sind nicht prozessschädlich. Es gilt jedoch, je trockener das Wertstoffgemisch ist, desto kürzer ist die Aufheizphase. Der Wertstoffkonverter arbeitet drucklos.
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Es folgt das Aufheizen des Wertstoffkonverters. Dazu besitzt dieser eine Heizeinrichtung mit in Keramik eingelassenen elektrischen Heizelementen. Die Heizeinrichtung ist am Boden des Wertstoffkonverters flexibel gelagert angeordnet. Das Aufheizen erfolgt bis zu einer Temperatur von 280°C. Zunächst entweicht in einer Heizphase bis etwa 110°C entstandener Wasserdampf und bereits verdampftes Öl aus dem Konverter. Dieses Gemisch wird anschließend in wenigstens einem Kondensationselement, nämlich einem Wärmetauscher, kondensiert. Dabei trennt sich Öl von Wasser. Vorteilhafterweise sind mehrere Kondensationselemente in Reihe geschaltet. Das in dieser Heizphase gewonnene Öl ist qualitativ nicht hochwertig. Es kann daher vorteilhaft als Hilfsstoff bei der Beschickung des Wertstoffkonverters eingesetzt werden. Das kondensierte Wasser wird abgeführt und fachgerecht entsorgt. In der zweiten Heizphase im Temperaturbereich von 110° bis 280°C ist der Wertstoffkonverter wasser- und sauerstofffrei. Damit ist auch die in solchen gattungsgemäßen Anlagen latent vorhandene Explosionsgefahr gebannt. Der in dieser Phase aus dem Wertstoffgemisch entstandene Dampf wird ebenfalls kondensiert, und zwar in einem weiteren Kondensationselement. Auch hier empfiehlt es sich, mehrere Kondensationselemente in Reihe hintereinander anzuordnen.
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Das in dieser Phase gewonnene Öl kann zwar ohne weitere Verarbeitungsschritte verwendet werden, sollte aber je nach Bestandteilen noch einmal aufgearbeitet werden. Es verbleibt ein Rest von nicht kondensierten Öldämpfen. Diese sind als Brennstoff für ein nachgeschaltetes Blockheizkraftwerk vorgesehen, gegebenenfalls gemeinsam mit Diesel oder Schweröl im Mischbetrieb. Die im Blockheizkraftwerk erzeugte Wärme und Elektroenergie sind bedarfsweise wieder in den Prozess einführbar. Die Emissionen des Blockheizkraftwerks entsprechen denen eines KFZ-Motors und sind somit unproblematisch. Am Boden des Konverters verbleibt eine Bitumenschicht bzw. ein bitumenähnlicher Rest. Dieser muss abgelassen, abgesaugt oder anderweitig aus dem Konverter entnommen werden. Gleiches gilt für zurückbleibende Metallteile und sonstige Feststoffe.
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Eine Anlage zur Konvertierung von Wertstoffen besteht im Wesentlichen aus mindestens einem Wertstoffkonverter, der in Wirkverbindung mit wenigstens einem Kondensationselement für das konvertierte Produkt aus der Heizphase bis etwa 110°C und mit wenigstens einem weiteren Kondensationselement für das konvertierte Produkt aus der Heizphase 110° bis 280°C steht. Die Kondensationselemente sind als Kühler und/oder Wärmetauscher ausgebildet, wobei jeweils mehrere Kondensationselemente in Reihe geschaltet werden können. Weiterhin sind entsprechende Rohrverbindungen, beinhaltend Ablassventile für Wasser und Öl, Absperrorgane sowie technische Mittel zum Befüllen des Wertstoffkonverters und zur Entnahme von Bitumen-, Metall- und anderen Rückständen vorhanden.
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Der Konverter selbst ist nicht an eine bestimmte geometrische Form gebunden. Er muss jedoch mit einer Heizeinrichtung ausgerüstet sein, die vorteilhaft an der Bodenfläche platziert ist. Die Heizeinrichtung ist ein kompaktes stoßunempfindliches Keramikteil mit eingelassenen elektrischen Heizelementen. Dieses ist am Boden des Wertstoffkonverters flexibel gelagert angeordnet. Der Konverter ist allseitig wärmeisoliert und lässt sich nach oben mittels eines luftdicht schließenden Deckels öffnen.
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Somit ist eine Anlage angegeben, mit der nahezu alle organisch basierten Materialien konvertierbar sind.
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Während des Verarbeitungsprozesses entstehen schwachenergetische, Sauerstoff enthaltende Verdampfungsprodukte nur im Niedrigtemperaturbereich, was Grundlage für eine hohe Anlagensicherheit ist und eine Wirtschaftlichkeit gewährleistet. Darüber hinaus hat die Anlage keine bewegten Teile, wie Förderer, Shredder oder Rührer, wodurch dahingehend kein Ausfallrisiko besteht. Geräuschemissionen sind gering. Sie beschränken sich auf Strömungsgeräusche und akustische Emissionen aus dem nachgeschalteten Blockheizkraftwerk. Im Wertstoff enthaltene Metalle oxidieren nicht. Das Verfahren eignet sich daher auch zur Metallrückgewinnung.
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Ausführungsbeispiel
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Die erfindungsgemäße Anlage zur Konvertierung von Wertstoffen wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Dazu dient ein Fließschema für die grundsätzliche Verfahrenstechnik, dargestellt in 1. 2 zeigt ein Beispiel für eine Anlage mit quasikontinuierlichem Betriebsregime mit nachgeschaltetem Blockheizkraftwerk.
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Gemäß 1 ist ein drucklos arbeitender Wertstoffkonverter 1 vorhanden. Dieser ist mit einem Wertstoffgemisch und Hilfsstoffen mittels geeigneter Anlagentechnik oder von Hand befüllbar, wobei vor dem ersten Anfahren die nachfolgend genannten Füllmengen einzuhalten und bei nachfolgenden Chargen nur die verbrauchten Hilfsstoffe zu ersetzen sind:
- – Wertstoffgemisch gemäß dem Fassungsvermögen des Wertstoffkonverters 1; zusätzlich folgende Hilfsstoffe:
- – Essigsaure Tonerde mit einem Aluminiumgehalt von > 20% in einer Menge von 0,5 bis 2%, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs; Ersatzweise können auch zink- oder zinkoxidhaltige Materialien verwendet werden.
- – 0,5 bis 2% Aktivkohle, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs;
- – 0,05 bis 0,15% Siliziumsand, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs;
- – Öl, vorzugsweise Altöl bzw. gewonnenes Öl aus dem Konvertierungsprozess, in einer Menge von 3 bis 8%, bezogen auf das Gewicht des Wertstoffgemischs.
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Nach dem Befüllen wird der Wertstoffkonverter 1 luftdicht verschlossen und beheizt. Zum Heizregime wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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Dem Wertstoffkonverter 1 sind die Kondensationselemente 3, 5 und 7 nachgeschaltet. Über diese erfolgt die Kondensation der im Wertstoffkonverter 1 entstehenden Öl- und Wasserdämpfe aus der Heizphase bis 110°C. Die Öldämpfe aus der Heizphase 110° bis 280°C kondensieren in den dargestellten Kondensationselementen 4, 6 und 7. Mit 9 sind Entnahmestellen für Wasser bzw. mit 10 Entnahmestellen für konvertiertes Öl bezeichnet. Nichtkondensierter Öldampf wird nach Verlassen des Kondensationselements 7 einem Blockheizkraftwerk 8 als Treibstoff zugeführt. Das im Wertstoffkonverter 1 verbleibende Bitumen fließt in den Behälter 2, aus dem es nach Abkühlung entnommen werden kann. Metalle und andere nichtkonvertierbare Teile werden nach dem Abkühlen des Wertstoffkonverters 1 mit geeigneten Mitten entnommen.
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In 2 ist eine Anlage zur Konvertierung von Wertstoffen, nämlich Abfällen, in Form einer Technikumsanlage angegeben. Die Anlage ist für Einsatzmengen < 250 t/Jahr ausgelegt. Es werden Abfälle und Materialmischungen verarbeitet, eingeschlossen solche, die aus der mechanischen Abfallbehandlung stammen. Bei der in 2 dargestellten Anlage handelt es sich um eine zweistrangige Auslegung für ein quasikontinuierliches Betriebsregime. Die angelieferten Wertstoffe werden einem Bunker 11 entnommen. Hauptbestandteil der Anlage sind die beiden Wertstoffkonverter 12 und 13, in denen der Konvertierungsprozess stattfindet. Das jeweilige Fassungsvolumen beträgt 5,6 m3, was bei einer Schüttdichte von ca. 250 kg/m3 zirka 1.400 kg Inputmaterial (Wertstoffgemisch plus Hilfsstoffe) entspricht. Bei der Erstbefüllung der Wertstoffkonverter 12 und 13 werden pro Konverter etwa 400 l Getriebe- und/oder Turbinenöl als Wärmeträger eingesetzt. Die Wertstoffkonverter 12 und 13 sind so ausgelegt, dass ein Sauerstoffeintrag während des Aufheizprozesses sicher verhindert wird. Ansonsten ist die gesamte Anlage drucklos ausgeführt. Alle Absperrorgane sind handbetätigt. Die elektrische Beheizung der beiden Wertstoffkonverter 12 und 13 besitzt eine Not-Abschaltung. Die Aufheizung des Inputmaterials auf die erforderliche Reaktionstemperatur bis zu 280°C erfolgt jeweils mittels elektrisch beheizter Bodenplatten aus Keramikmaterial in einem Zeitraum von bis zu 5 Tagen. Zur Temperaturregelung werden fachübliche Regler eingesetzt. Sie umfasst die gesamte Zeitdauer des Aufheizprozesses.
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Die während der Konvertierung entstehenden Gase und Dämpfe werden mittels Wasserkühlern 14 abgekühlt und in nachgeschalteten Wärmetauschern 15 und 16 kondensiert und schließlich einem Blockheizkraftwerk 17 als Verbrennungsgas zugeführt. Aus den Wärmetauschern 15 wird mittels integrierter Entnahmevorrichtungen 18 konvertiertes Öl 18 bzw. 19 Schwelwasser entnommen.
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Aus bereits durchgeführten Laborversuchen ergibt sich folgende Massebilanz, hochgerechnet für 1.000 kg Inputmaterial mit ca. 18.000 kJ/kg Energiegehalt:
| – Konvertiertes Öl | ca. 53% | = ca. 530 kg, |
| – Konvertierter Koks | ca. 23% | = ca. 230 kg, |
| – Schwelwasser | ca. 18% | = ca. 180 kg, |
| – Konvertiertes Gas | ca. 5,2% | = ca. 52 kg, |
| – Filterrückstand | ca. 0,8% | = ca. 8 kg. |
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Der konvertierte Koks und das Schwelwasser 19 sind ordnungsgemäß zu entsorgen, während das konvertierte Öl 18 und das konvertierte Gas 20 für weitere Verwendungen, wie bereits beschrieben, zur Verfügung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wertstoffkonverter,
- 2
- Rückstand,
- 3
- Kondensationselement für Öl- und Wasserdämpfe aus der Heizphase bis 110°C,
- 4
- Kondensationselement für Öldämpfe aus der Heizphase 110°C bis 280°C,
- 5
- Kondensationselement für Öl- und Wasserdämpfe aus der Heizphase bis 110°C,
- 6
- Kondensationselement für Öldämpfe aus der Heizphase 110°C bis 280°C,
- 7
- Kondensationselement Öldämpfe aus beiden Heizphasen,
- 8
- Blockheizkraftwerk,
- 9
- Entnahmestelle für Wasser,
- 10
- Entnahmestelle für Öl,
- 11
- Bunker,
- 12
- Wertstoffkonverter,
- 13
- Wertstoffkonverter,
- 14
- Wasserkühler,
- 15
- Wärmetauscher,
- 16
- Wärmetauscher,
- 17
- Blockheizkraftwerk,
- 18
- Konvertiertes Öl,
- 19
- Schwelwasser,
- 20
- Konvertiertes Gas,
- 21
- Kühlwasser.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2748510 [0003]
- DE 4243063 [0004]
- DE 4311034 [0006]
- DE 3037829 [0007]
- DE 10049377 [0009]
- DE 102005023601 [0010]
