DE3017998A1 - Removal of minor impurities from crude partial oxidn. gas - by treatment with sulphided iron catalyst at relatively low temp. - Google Patents
Removal of minor impurities from crude partial oxidn. gas - by treatment with sulphided iron catalyst at relatively low temp.Info
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Abstract
Description
Verfahren zur katalytis chen Behandlung von Partialoxidations rohgas.Process for the catalytic treatment of partial oxidation raw gas.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen Behandlung von durch Partialoxidation (Vergasung) von festem und/oder flüssigem kohlenstoffhaltigen Material bei Temperaturen zwischen 1000 und 2000 " C gewonnenem Rohgas.The invention relates to a method for catalytic treatment by partial oxidation (gasification) of solid and / or liquid carbonaceous Raw gas extracted from material at temperatures between 1000 and 2000 "C.
Die Herstellung von Rohgas durch Partialoxidation von kohlenstoffhaltigem Ausgangsmaterial und die anschliessende Aufarbeitung die -ses Rohgases für unterschiedliche Verwendungszwecke, wie beispielsweise als Heizgas, Synthesegas oder Reduktionsgas, ist bereits seit längerer Zeit bekannt und wird schon in einer Vielzahl von grosstechnischen Anlagen mit Erfolg verwirklicht. Ein bekanntes, für den genannten Zweck häufig eingesetztes und in dem oben genannten Temperaturbereich arbeitendes Vergasungsverfahren ist beispielsweise das Koppers-Totzek-Verfahren, bei dem das zu vergasende Ausgangsmaterial einer sogenannten Flugstromvergasung unterworfen wird.The production of raw gas by partial oxidation of carbonaceous Starting material and the subsequent processing of this raw gas for different Uses, such as heating gas, synthesis gas or reducing gas, has been known for a long time and is used in a variety of large-scale engineering Systems realized with success. A well-known, often used for the stated purpose and is a gasification process operating in the above temperature range for example the Koppers-Totzek process, in which the starting material to be gasified is subjected to so-called entrained flow gasification.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist unter anderem darin zu sehen, dass es hinsichtlich des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials ausserordentlich flexibel ist. Das heisst, es können mit diesem Verfahren sowohl alle in der Praxis vorkommenden Kohlesorten als auch andere feste und/oder flüssige Brennstoffe wie beispielsweise Pech, Teer, Petrolkoks, schwere Kohlenwasserstoffe und Destillations- bzw. Fabrikationsrückstände aus der petrochemischen Industrie vergast werden. Die weitere Aufarbeitung des anfallenden Rohgases richtet sich dabei natürlich nach dem jeweiligen Verwendungszweck.A major advantage of this procedure is, among other things, in it to see that it is extraordinary in terms of the carbonaceous feedstock is flexible. This means that everyone can use this method in practice occurring types of coal as well as other solid and / or liquid fuels such as for example pitch, tar, petroleum coke, heavy hydrocarbons and distillation or production residues from the petrochemical industry are gasified. the further processing of the resulting raw gas depends of course on the respective purpose.
Beispielsweise muss das Rohgas für die Ammoniak-Erzeugung im Zuge der weiteren Aufarbeitung in vielen Fällen einer mehr oder weniger starken Verdichtung sowie einer Behandlung bei tiefen Temperaturen, wie einer Methanolkaltwäsche oder einer Flüssigstickstoffwäsche, unterworfen werden.For example, the raw gas for the ammonia production has to be in the train the further work-up in many cases of a more or less strong compression as well as treatment at low temperatures, such as a methanol cold wash or a liquid nitrogen wash.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Durchführung dieser beiden Behandlungsstufen unter Umständen in einigen Betriebsanlagen gewisse Probleme und Schwierigkeiten auftreten können. So wurden auf den Laufrädern der Rohgaskompressoren sowie in den dazugehörigen Zwischenkühlern Ablagerungen von Schwefel, Eisensulfid sowie Eisennitrosylkomplexen (sogen. Roussint scheSalze) festgestellt. Index kalt MethanoWäsche führte die Bildung von Schwefel sowie von in Methanol löslichen Schwefel-Eisen-Verbindungen zu unerwünschten Ablagerungen in den Wärmetauschern. Im T ieftempe raturteil der Flüssigstickstoffwäsche traten ebenfalls unerwünschte Ablagerungen in den Wärmetauschern auf, die auf ausfrierendes NO zurückzuführen waren und die nur durch Abtauen beseitigt werden konnten.However, it has been shown that when performing both of these Treatment stages may have certain problems and in some facilities Difficulties can arise. So were on the impellers of the raw gas compressors as well as deposits of sulfur and iron sulfide in the associated intercoolers and iron nitrosyl complexes (so-called Roussint's salts). Index cold MethanoWash led to the formation of sulfur as well as sulfur-iron compounds soluble in methanol to undesired deposits in the heat exchangers. In the low temperature part of the Liquid nitrogen scrubbing also resulted in undesirable deposits in the heat exchangers which were due to freezing NO and which can only be eliminated by defrosting could become.
Als Ursache für diese Störungen wurde zunächst ausschliesslich das Vorhandensein von Stickoxiden NO angesehen, welche im Rohgas als Spurenbestandteile normalerweise in einer Grössenordnung von < 100 ppm enthalten sind. In neuerer Zeit ist deshalb bei der Herstellung von Ammoniak aus durch Kohlevergasung erzeugtem Synthesegas bereits vorgeschlagen worden, die Stickoxide aus dem Gas durch eine Behandlung mit einem Kobaltmolybdat-Katalysator zu entfernen. (Chem.The only cause for these malfunctions was initially the Presence of nitrogen oxides NO, which are considered trace constituents in the raw gas are normally contained in an order of magnitude of <100 ppm. In more recent There is therefore time in the production of ammonia from coal gasification Synthesis gas has already been proposed to remove nitrogen oxides from the gas by a Treatment with a cobalt molybdate catalyst to remove. (Chem.
Eng. , Februar 1980, 88 - 90, 94 ) Weitere Untersuchungen der Anmelderin haben jedoch ergeben, dass für einen Teil der oben geschilderten Störungen neben den Stickoxiden auch das S02 und der Sauerstoff verantwortlich sind, weiche ebenfalls als Spurenbestandteile im Rohgas in einer Grössenordnung voni 50ppm bzw. <150 ppm vorliegen. Es muss ausserdem davon ausgegangen werden, dass die genannten Spurenbestandteile generell bei der weiteren Aufarbeitung des Rohgases zu Störungen (Ablagerungen) in Rohrleitungen, Verdichtern, Waschstufen, Wärmetauschern usw. führen können.Closely. , February 1980, 88 - 90, 94) Further investigations the applicant have shown, however, that for some of the above Disturbances in addition to nitrogen oxides are also responsible for S02 and oxygen, soft also as trace constituents in the raw gas in an order of magnitude of 50ppm or <150 ppm. It must also be assumed that the mentioned trace constituents generally in the further processing of the raw gas to malfunctions (deposits) in pipes, compressors, washing stages, heat exchangers etc. can lead.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur katalytischen Behandlung von durch Partialoxidation gewonnenem Rohgas zu schaffen, bei dem neben den Stickoxiden auch das SO2 und der Sauerstoff aus dem Rohgas entfernt werden. Gleichzeitig soll im Interesse der Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens nach Möglichkeit mit einem besonders preisgünstigen Katalysator gearbeitet werden. Ausserdem sollen die laufenden Betriebskosten natürlich möglichst niedrig gehalten werden. Es ist deshalb anzustreben, dass das erfindungsgemässe Verfahren bei einem möglichst niedrigen Temperaturniveau, das ein zu starkes Aufheizen und Wiederabkühlen des Rohgases vermei.The invention is therefore based on the object of providing a method for to create catalytic treatment of raw gas obtained by partial oxidation, in which, in addition to the nitrogen oxides, the SO2 and oxygen are also removed from the raw gas will. At the same time, in the interest of the economy of this process if possible, a particularly inexpensive catalyst should be used. In addition, the ongoing operating costs should of course be kept as low as possible will. It is therefore desirable that the method according to the invention in a The lowest possible temperature level, which means excessive heating and cooling again avoid the raw gas.
det, durchgeführt werden kann. Ferner soll der Druckabfall über dem Katalysator möglichst gering gehalten werden.det, can be performed. Furthermore, the pressure drop over the Catalyst are kept as low as possible.
Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass das von seinen staubförmigen Verunreinigungen befreite und auf eine Temperatur zwischen 70 und 250 " C gekühlte Rohgas vor der weiteren Gasbehandlung bei einem Druck zwischen 1 und 100 bar sowie mit einer Raumgeschwindigkeit zwischen 3 000 und 30 000 Nm³ Gas pro 3 m Katalysator und Stunde über einen Katalysator geleitet wird, der als aktive Komponente 2 bis 65 Gew. - 7o (bezogen auf die Gesamt-Eisen katalysatormasse)renthält, welches in sulfidischer Form vorliegt.The method described at the outset serving to solve this problem Art is characterized according to the invention in that its dusty Freed impurities and cooled to a temperature between 70 and 250 "C Raw gas before further gas treatment at a pressure between 1 and 100 bar as well with a space velocity between 3,000 and 30,000 Nm³ gas per 3 m of catalyst per hour is passed over a catalyst, which is the active Component 2 to 65 wt. - 7o (based on the total iron catalyst mass) rests, which is in sulfidic form.
Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die katalytische Behandlung des Rohgases bei einer Temperatur zwischen 90 und 200 4 C sowie einem-Druck zwischen 2 und 60 bar erfolgt.It has proven to be particularly advantageous if the catalytic Treatment of the raw gas at a temperature between 90 and 200 4 C and one pressure between 2 and 60 bar.
Zur Durchführung des erfidnungsgemässen Verfahrens kann von einem Katalysatorausgangsmaterial ausgegangen we rden, welches Gemische der Eisen- und Chromoxide mit oder ohne Trägermaterial enthält. . Ferner können insbesondere Fe - III - hydroxide* Fe - Oxidhydrate, Rotschlämme aus der Bauxitherstellung sowie eisenoxid-bzw. hydroxidhaltige Gasreinigungsmassen (sogen. Raseneisenerz) als Katalysatorausgangsmaterial zur Anwendung gelangen.To carry out the method according to the invention can be of a Catalyst starting material we assumed which mixtures of iron and Contains chromium oxides with or without a carrier material. . Furthermore, Fe - III - hydroxide * Fe - oxide hydrates, red sludge from bauxite production and iron oxide or. Hydroxide-containing gas cleaning compounds (so-called lawn iron ore) as catalyst starting material come into use.
Die notwendige Sulfidierung der Eisenkomponente des Katalysator -ausgangsmaterials erfolgt dabei normalerweise durch Reaktion mit dem im Rohgas enthaltenen H2S. Es ist deshalb zweckmässig,wenn bei Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ein Mindestschwefelgehalt von 7 mg/Nm³ Rohgas nicht unterschritten wird.The necessary sulfidation of the iron component of the catalyst starting material normally takes place by reaction with the H2S contained in the raw gas. It is therefore useful when performing the method according to the invention a minimum sulfur content of 7 mg / Nm³ raw gas is not fallen below.
Unter Umständen ist es natürlich auch möglich, zunächst das Katalysatorausgangsmaterial einer speziellen Sulfidierung mit einem H2S, CS2 und/oder Mercaptane enthaltenden Gas zu unterwerfen.Under certain circumstances it is of course also possible to first use the catalyst starting material a special sulfidation with a H2S, CS2 and / or mercaptans containing Submit gas.
Bei der vorstehend beschriebenen Sulfidierung reagiert die eventuell vorhandene Chromkomponente nicht oder nur in ganz geringem Umfange. Das Chrom bleibt deshalb im Katalysator in oxidischer Form erhalten und fungiert dabei vor allem als struktureller Verstärker des Katalysators.The sulfidation described above may react Chromium component not present or only to a very limited extent. The chrome stays therefore retained in the catalyst in oxidic form and functions primarily in the process as a structural reinforcement of the catalyst.
Sofern Gemische aus Eisen- und Chromoxiden als Katalysatorausgangsmaterial zur Anwendung gelangen» so ist es zwe-ckmässig, wenn in diesen Gemischen ein Fe : Cr - Gewichtsverhältnis von 5 : 1 bis 15 : 1 vorliegt. If mixtures of iron and chromium oxides are used as the catalyst starting material are used, it is useful if there is an Fe in these mixtures : Cr - weight ratio of 5: 1 to 15: 1 is present.
Wie bereits weiter oben festgestellt wurde, kann die aktive Komponente im Katalysator mit oder ohne Trägermaterial zur Anwendung gelangen. Sofern der Katalysator Trägermaterial enthält, können vorzugsweise A1203 oder SiO2 als Trägermaterial Anwendung finden. Es können aber auch andere bekannte Trägermaterialien wie z.B. MgO, ZrO2 und-TiO2 sowie deren Mischungen und Verbindungen (Spinelle) und auch Tone bzw. Tonerden für diesen Zweck eingesetzt werden.As stated above, the active component can be used in the catalyst with or without a support material. Unless the catalyst Contains carrier material, A1203 or SiO2 can preferably be used as carrier material Find. However, other known carrier materials such as MgO, ZrO2 and-TiO2 as well as their mixtures and compounds (spinels) and also clays or alumina can be used for this purpose.
Wegen der hohen Raumgeschwindigkeiten, bei denen das erfindungsgemässe Verfahren durchgeführt werden kann, ist es unter Umständen zweckmässig, wenn die aktive Komponente des Katalysaors auf Trägerkörper aufgebracht wird, die durch ihre Formgebung den Druckabfall über dem Katalysatorbett verhindern. Dies wird beispielsweise durch eine wabenförmige Struktur der Trägerkörper erreicht.Because of the high space velocities at which the inventive Procedure can be carried out, it may be useful if the active component of the catalyst is applied to the support body by their Shaping prevent the pressure drop across the catalyst bed. This is for example achieved by a honeycomb structure of the carrier body.
Die erfindungsgemässe Behandlung des Rohgases erfolgt vor der weiteren Gasbehandlung, das heisst vor der sogen. Sauergaswäsche und gegebenenfalls Konvertierung, nachdem das aus dem Vergaser austretende Gas durch geeignete Massnahmen, wie Behandlung im Zyklonabscheider und/oder in sogen. Nasswäechern, von seinen staubförmigen festen Verunreinigungen befreit worden ist. Falls im Zuge der Weiterbehandlung des Rohgases eine Verdichtung vorgesehen ist, wird die erfindung 5 gemäs se Gasbehandlung zweckmässigerweise vor oder zwischen den ersten Verdichtungsstufen des Rohgases durchgeführt. Dabei werden unter Reaktion mit dem im Gas vorhandenen Wasserstoff das SO2 zu H und die Stickoxide zu N2 und/oder NH3 umgesetzt. Die Bildung von Elementarschwefel, Eisennitrosyl komplexen (sogen. Roussint schen Salzen) oder Kohlenstoff nach dem Boudouard-Gleichgewicht ist dabei nicht festgestellt worden.The inventive treatment of the raw gas takes place before the further Gas treatment, that is, before the so-called. Sour gas scrubbing and, if necessary, conversion, after the gas escaping from the gasifier by suitable measures, such as treatment in the cyclone separator and / or in so-called. Wet washing, from its dusty solid Impurities has been freed. If in the course of the Follow-up of the raw gas compression is provided, the invention is 5 gemäs se gas treatment expediently before or between the first compression stages of the raw gas carried out. It reacts with the hydrogen present in the gas the SO2 converted to H and the nitrogen oxides to N2 and / or NH3. The formation of elemental sulfur, Iron nitrosyl complex (so-called. Roussint's salts) or carbon according to the Boudouard equilibrium has not been established.
Dagegen wird der im Rohgas enthaltene Sauerstoff vollständig zu Wasser umgesetzt. Dass dies bei den relativ niedrigen Temperaturen, bei denen das erfindungsgemäIse Verfahren durchgeführt wird, möglich ist, war überraschend und unerwartet, wenn man die Verhältnisse bei der herkömmlichen Gaereinigung in Betracht zieht.In contrast, the oxygen contained in the raw gas turns completely into water implemented. That this is done at the relatively low temperatures at which the invention Procedure is carried out is possible, was surprising and unexpected when one takes into account the conditions of conventional cleaning.
Dort werden bei Temperaturen, die nur verhältnismässig wenig unter dem erfindungsgemassen Temperaturniveau liegen, die Stickoxide von der Fe III - hydroxide enthaltenden Gasreinigungsmasse komplex gebunden, und der Sauerstoff reagiert in diesem Falle mit dem H2S unter Bildung von Elementarschwefel. Für die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens ist das angewandte, verhältnismässig niedrige Temperaturniveau jedoch von besonderer Bedeutung, da dadurch ein spezielles Aufheizen des Rohgasstromes entfallen kann.There are at temperatures that are only comparatively little below the temperature level according to the invention, the nitrogen oxides from the Fe III - Hydroxide-containing gas cleaning compound bound in a complex, and the oxygen reacts in this case with the H2S with the formation of elemental sulfur. For economy of the method according to the invention is the relatively low one used However, the temperature level is of particular importance because it causes a special heating of the raw gas stream can be omitted.
Die erfindungsgemäss angewandten Katalysatoren begünstigen unter den beanspruchten Reaktionsbedingungen weder die Konvertierung von COnach dem Wassergasgleichgewicht noch die Methanisierung von CO. Eine Schädigung des sulfidierten Katalysators durch Was.- -serdampf tritt nicht ein. COS wird schliesslich je nach der Anfangskonzentration entsprechend dem Simultangleichgewicht zwischen C OS-Hydrie rung und GOS-Hydrolyse gebildet oder entfernt.The catalysts used according to the invention favor neither the conversion of CO to the water gas equilibrium nor the methanation of CO under the claimed reaction conditions. The sulfided catalyst is not damaged by water vapor. Finally, depending on the initial concentration, COS becomes corresponding to the simultaneous equilibrium between COS hydrogenation and GOS hydrolysis formed or removed.
Nachfolgend soll die Wirksamkeit des erfindungsgemässen Verfahrens an Hand von vier Beispielen erläutert werden. In den Beispielen 1, 2 und 4 wurde das verwendete Einsatzgas (Rohgas) durch Partialoxidation von Kohle und im Beispiel 3 durch Partialoxidation von schweren Kohlenwasserstoffen gewonnen. Bei den Beispielen 1 bis 3 wurde als Katalysatorausgangsmaterial ein Gemisch aus Eisen- und Chromoxid verwendet, während im Beispiel 4 als Katalysatorausgangsmaterial eine Fe - III - hydroxide enthaltende Gasreinigungsmasse diente. Die Sulfidierung des Katalysatorausgangsmaterials erfolgte in allen vier Fällen durch den H2S-Gehalt des Einsatzgases. Weitere Einzelheiten der Beispiele ergeben sich aus den nachfolgenden Angaben Beispiele 1) Katalys atoraus gang s mate rial: Fe/C r -Oxide (Verhältnis Fe : Cr = 9: 1) Temperatur 1500 C Druck : 2, 5 bar Raumgeschwindigkeit : 13000 h-1 Einsatzgas: H2 21,4 Vol.-% CO 51,4 " " CO2 8,0 " " N2 12, 1 " H2O 6,2 " " H2S 0,9 " " NO 100 " -ppm SO2 50 " " O2 50 " " Im Produktgas: NO 0,5 Vol.-ppm SO2 < 2 " " NH3 70 " " andere Komponenten im wesentlichen unverändert.The following is the effectiveness of the method according to the invention will be explained using four examples. In Examples 1, 2 and 4 was the feed gas used (raw gas) by partial oxidation of coal and in the example 3 obtained by partial oxidation of heavy hydrocarbons. In the examples 1 to 3, a mixture of iron and chromium oxide was used as the catalyst starting material used, while in Example 4 an Fe - III - Hydroxide-containing gas cleaning compound was used. The sulfidation of the catalyst feedstock occurred in all four cases due to the H2S content of the feed gas. more details of the examples result from the following information: Examples 1) Catalyst gang material: Fe / C r -oxides (ratio Fe: Cr = 9: 1) temperature 1500 C pressure : 2.5 bar Space velocity: 13000 h-1 Feed gas: H2 21.4 Vol .-% CO 51.4 "" CO2 8.0 "" N2 12.1 "H2O 6.2" "H2S 0.9" "NO 100" -ppm SO2 50 "" O2 50 "" In the product gas: NO 0.5 vol.ppm SO2 <2 "" NH3 70 "" others Components essentially unchanged.
2) Katalysatorausgangsmaterial: Fe/Cr-Oxide (Verhältnis Fe : Cr = 9: 1) Temperatur : 150 ° C Druck : 2, 5 bar Raumgeschwindigkeit: 26000 h-1 Einsatzgas : wie in Beispiel 1 Im produktgas: NO 3 Vol. -ppm SO2 < 2 NH3 50 andere Komponenten im wesentlichen unverändert.2) Catalyst starting material: Fe / Cr oxides (ratio Fe: Cr = 9: 1) Temperature: 150 ° C. Pressure: 2.5 bar Space velocity: 26,000 h-1 feed gas : as in example 1 in the product gas: NO 3 vol. -ppm SO2 <2 NH3 50 other components essentially unchanged.
3) Katalysatorausgangsmaterial : Fe/C r - Oxide (Verhältnis Fe : Cr = 9 : 1) Temperatur : 150 C Druck : 2, 5 bar Raumgeschwindigkeit : 26000 h-1 Einsatzgas : H2 34,8 Vol.-% CO 42, 0 " " CO2 7,5 " " N2 9,2 " ' H2O 6,2 H2S 0,3 NO 100 Vol. -ppm SO2 50 " " Im Produktgas : NO 2,5 Vol.-ppm SO2 2 " " NH3 55 " " andere Komponenten im wesentlichen unverändert.3) Catalyst starting material: Fe / C r - oxides (ratio Fe: Cr = 9: 1) Temperature: 150 ° C. Pressure: 2.5 bar Space velocity: 26,000 h-1 feed gas : H2 34.8 vol .-% CO 42.0 "" CO2 7.5 "" N2 9.2 "'H2O 6.2 H2S 0.3 NO 100 vol. -ppm SO2 50 "" In the product gas: NO 2.5 vol.ppm SO2 2 "" NH3 55 "" other components essentially unchanged.
4) Katalysatorausgangsmaterial : Fe - m - hydroxide (Gasreinigungsmas se) Temperatur : 150 C Druck : 2, 5 bar Raumgeschwindigkeit : 26000 h Einsatzgas : wie in Beispiel 1 Im Produktgas: NO 2 Vol. -ppm SO2 2 " " NH3 60 " " " andere Komponenten im wesentlichen unverändert.4) Catalyst starting material: Fe - m - hydroxide (gas cleaning agent se) temperature: 150 ° C. pressure: 2.5 bar space velocity: 26000 h feed gas : as in example 1 In the product gas: NO 2 vol. -ppm SO2 2 "" NH3 60 "" "others Components essentially unchanged.
Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass in allen vier Fällen eine wirksame Herabsetzung des SO2- und Stickoxidgehaltes im Einsatzgas ereicht werden konnte. Die Stickoxidewerden dabei überwiegend bis zum NH3 reduziert. Beispiel 4 verdient insofern noch besondere Beachtung, weil hier sogen. Gasreinigungsmasse als Katalysatorausgangsmaterial verwendet wurde. Diese ist natürlich noch preisgünstiger als die in den Beispielen 1 bis 3 verwendeten Gemische von Eisen- und Chromoxid und stellt eine ausserordentlich wirtschaftliche Lösung des Problems dar.The present results show that in all four cases one effective reduction of the SO2 and nitrogen oxide content in the feed gas can be achieved could. The nitrogen oxides are mainly reduced to NH3. Example 4 deserves special attention in this respect, because absorbed here. Gas cleaning compound was used as a catalyst starting material. This is of course even cheaper than the mixtures of iron and chromium oxide used in Examples 1 to 3 and represents an extremely economical solution to the problem.
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Legal Events
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---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |