JP4296603B2 - 燃焼方法および燃焼装置 - Google Patents
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Description
に記載の一酸化炭素を低減するための酸化触媒を備えたボイラにおいて、これまで殆ど研究が行われていなかった限りなく1に近い低空気比でのバーナの燃焼領域(図18の領域Z2)において、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とするポイントを見出した。そして、窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を実質的に零とすることができた原因を追及した結果、酸化触媒一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準所定濃度比とすることで、酸化触媒を用いて窒素酸化物および一酸化炭素の排出量を限りなく零に近く低減できるとともに、前記濃度比を前記基準所定濃度比の近傍で調整することにより、有害物質(窒素酸化物および一酸化炭素)の排出量を実質的に零または許容値まで低減可能であるいう新たな知見を得た。この発明は、この知見に基づき完成したものである。この発明によれば、有害物質の排出濃度を実質的に零とすることができるだけではなく、これが限りなく1.0に近い空気比にて実現できるので、顕著な省エネルギーを実現することができる。
以下、単に濃度比という場合、酸化触媒の一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を意味する。前記酸化触媒は、公知の酸化触媒を用いても良く、新規な酸化触媒を用いても良い。
([NOx]+2[O2])/[CO]=K …(1)
K≦2.0 …(2)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
ここで、「検出酸素濃度が実質的に零近傍」とは、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする酸素濃度のみならず、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を所定値以下とする酸素濃度を含んでいる。
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]=K …(3)
K≦2.0 …(4)
(式(3)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O 2 ]>0の条件を満たす。)
([NOx]+2[O2])/[CO]=K …(5)
K≦2.0 …(6)
(式(5)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]=K …(7)
K≦2.0 …(8)
(式(7)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O 2 ]>0の条件を満たす。)
この発明の燃焼方法の実施の形態1が適用されるボイラなどの燃焼装置は、典型的には、バーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段としての伝熱管(水管)群を含む缶体と、前記伝熱管群通過後の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素をそれぞれ所定濃度比で含むガスが接触して通過し、一酸化炭素を酸化させるとともに窒素酸化物を還元させる触媒と、前記バーナへガス燃料を供給する燃料供給手段と、前記バーナへ燃焼空気を供給する燃焼空気供給手段と、前記触媒の下流において酸素濃度を検出するセンサと、このセンサなどの信号を入力して前記燃料供給手段および前記燃焼空気供給手段な
どを制御する制御器とを主要部として備える。
前記燃焼方法の実施の形態1は、つぎの実施の形態2に適用される。この実施の形態2においても前記実施の形態1と同様に、前記触媒二次側の酸素濃度を検出して、前記基準所定濃度比の制御を行うが、その説明を省略する。この実施の形態2は、燃料をバーナにて燃焼させることにより生成されるガスと酸化触媒とを接触させて前記ガス中に含まれる窒素酸化物を低減する燃焼方法であって、炭化水素含有の燃料を前記バーナにて燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させる燃焼ステップと、この燃焼ステップにて生じたガスから吸熱手段により吸熱する吸熱ステップ
と、この吸熱ステップ後に前記ガスを酸化触媒と接触させて前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する有害物質低減ステップと、前記酸化触媒一次側のガス中の濃度の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を、前記バーナおよび前記吸熱手段の濃度比特性に基づき、前記バーナの空気比調整手段を用いて、前記触媒二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零または所定値以下に、一酸化炭素濃度が実質的に零または所定値以下となる所定濃度比に調整する濃度比調整ステップとを含むことを特徴とする燃焼方法である。
調整0:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする基準所定濃度比K0に調整する。
調整1:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とするとともに一酸化炭素濃度を所定値以下とする第一所定濃度比K1に調整する。
調整2:前記濃度比Kを前記酸化触媒二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とするとともに窒素酸化物濃度を所定値以下とする第二所定濃度比K2に調整する。
([NOx]+2[O2])/[CO]=K …(1)
1.0≦K=K0≦2.0 …(2)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
([NOx]+2[O2])/[CO]=K≦2.0 …(3)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれCO濃度、NOx濃
度およびO2濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
濃度:[NO2]との合計濃度である。前記の反応式の説明において、NOxを用いることなく、NOを用いているのは、高温度場での生成窒素酸化物の組成は、主成分がNOであり、NO2が数%に過ぎないので、近似的に説明することができるからである。NO2は、存在してもNOと同様にCOにより還元されると考えられる。
CO +1/2O2 → CO2 …(I)
CO +NO → CO2 +1/2N2 …(II)
2[O2]= [CO]a …(III)
[CO]b =[NO] …(IV)
[CO]a +[CO]b =2[O2]+ [NO] …(V)
よって、前記基準所定濃度比充足式,
すなわち[CO]=2[O2]+[NO]の関係を導くことができる。
囲を拡げることができる。
この発明は、つぎの燃焼装置の実施の形態1を含む。この燃焼装置の実施の形態1は、ガス発生源からの窒素酸化物を含有するガスに一酸化炭素および酸素を含ませるとともに、前記ガス中の窒素酸化物,一酸化炭素および酸素の濃度比を基準所定濃度比に調整する濃度比調整手段と、前記ガスとの接触により、第一反応により酸素により一酸化炭素を酸化し、第二反応により一酸化炭素により窒素酸化物を還元し、第一反応が第二反応よりも優位であり、一次側の前記濃度比を前記基準濃度比としたとき二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有する酸化触媒とを備える燃焼装置であって、前記酸化触媒二次側の酸素濃度を検出するセンサを備え、前記濃度比調整手段は、前
記センサによる検出酸素濃度が実質的に零近傍の設定酸素濃度となるように前記濃度比を制御することを特徴とする燃焼方法である。
前記燃焼装置の実施の形態1は、つぎの燃焼装置の実施の形態2に適用される。この実施の形態2においても前記実施の形態1と同様に、前記触媒二次側の酸素濃度を前記センサにより検出して、前記基準所定濃度比の制御を行うが、その説明を省略する。この実施の形態2は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸素により酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する酸化触媒と、前記バーナの空気比を検出するためのセンサと、このセンサの検出信号に基づき前記バーナを設定空気比に制御する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を前記設定空気比に調整したとき、前記酸化触媒二次側の窒素酸化物濃度を実質的に零とする前記酸化触媒一次側における酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を得ることができるように構成されることを特徴とする燃焼装置である。この実施の毛板2および以下の実施の形態において、前記空気比調整手段はこの発明の濃度比調整手段の一部を構成する。
ことができる。
この発明は、つぎの燃焼装置の実施の形態3を含む。この燃焼装置は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この吸熱手段を通過後の前記ガスに含まれる一酸化炭素を酸化し窒素酸化物を一酸化炭素により還元する触媒と、前記バーナの空気比を調整する空気比調整手段とを備え、前記バーナおよび前記吸熱手段は、前記空気比調整手段により前記空気比を1.0の近傍にて調整することにより得られる前記触媒の一次側の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含む前記ガスに関する前記触媒の一次側の空気比−NOx・CO特性(一次特性)を有し、前記触媒は、この一次側の空気比−NOx・CO特性を有するガスを前記触媒と接触させることにより得られる前記触媒の二次側の空気比−NOx・CO特性(二次特性)を有するように構成され、前記空気比調整手段は、前記二次側の空気比−NOx・CO特性のNOx・CO低減領域の設定空気比にて前記バーナの空気比を制御することを特徴としている。前記一次特性は、この発明の前記バーナおよび前記吸熱手段による濃度比特性であり、空気比−NOx特性と空気比−CO特性とを含む。また、前記二次特性は、前記触媒による特性(触媒特性)であり、空気比−NOx特性と空気比−CO特性とを含む。
前記設定空気比は、一つの態様として、前記二次特性における窒素酸化物濃度(排出NOx濃度)を実質的に零とする値に設定される。この窒素酸化物濃度を実質的に零とするのは、前記バーナの空気比を実質的に1.0に制御することにより実現される。この制御
は、好ましくは、前記触媒の二次側の空気比により行うが、前記触媒での反応の結果、実質的に1.0の設定空気比を満たし得る前記触媒の一次側の酸素濃度(O2濃度)が所定濃度となるように一次側のO2濃度により行うように構成することもできる。
この態様2は、前記設定空気比を、前記二次特性におけるNOx濃度が実質的に零を越え、かつ前記一次特性におけるNOx濃度より低くなる値に設定したことを特徴とする。前記値は、前記設定空気比が、実質的に1.0を越える前記二次特性のNOx・CO低減領域の空気比に設定することにより実現される。この態様2は、前記調整2を実現する。
前述の態様1,2は、つぎの態様3にて表現することができる。この態様3は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱を行う吸熱手段と、この吸熱手段を通過後の前記ガスと接触され酸素により一酸化炭素を酸化し、一酸化炭素により窒素酸化物を還元する酸化触媒と、前記バーナへ供給する燃焼空気量と燃料量との割合を調整する空気比調整手段とを備え、前記酸化触媒は、前記ガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比がNOx非低減領域のとき、一酸化炭素を低減し、窒素酸化物を低減せず、前記濃度比がNOx低減領域のとき、一酸化炭素および窒素酸化物を低減する特性を有し、前記空気比調整手段は、前記濃度比が前記NOx低減領域となるように、前記バーナへの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することを特徴とする燃焼装置である。
さらに、この発明は、つぎの燃焼装置の実施の形態4を含む。この実施の形態4は、炭化水素含有の燃料を燃焼させて、炭化水素を含まず、酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスを生成させるバーナと、このバーナにて生成されるガスから吸熱する吸熱手段と、この吸熱手段通過後の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素を含むガスと接触され、前記ガス中の酸素により一酸化炭素を酸化する第一反応と、前記ガス中の一酸化炭素により窒素酸化物を還元する第二反応とを主反応として行う触媒と、前記バーナの燃焼空気と燃料との割合を調整する空気比調整手段とを備え、前記触媒は、その二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記触媒の一次側のガス中の酸素,窒素酸化物および一酸化炭素の濃度比を基準所定濃度比として、前記濃度比を前記基準所定濃度比とすると、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とし、前記基準所定濃度比に対応する基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を高くすると、前記触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の一酸化炭素濃度を実質的に零とし、窒素酸化物濃度を低減し、前記基準酸素濃度よりも一次側酸素濃度を低くすると、前記触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度実質的に零とし、一酸化炭素濃度を低減する特性を有し、前記空気比調整手段は、前記触媒の特性を利用して、前記触媒の二次側の酸素濃度に基づき前記バーナの燃焼空気量と燃料量との割合を調整することにより、前記触媒の一次側の酸素濃度を前記基準酸素濃度に対して調整して、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を低減することを特徴とする燃焼装置である。
度比K0X(以下、特異基準濃度比という。)と称する。前記触媒の一次側の前記濃度比Kを前記特異基準濃度比K0Xに調整する(前記調整0)と、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする。そして、前記特異基準濃度比K0Xに対応する基準酸素濃度SKよりも一次側酸素濃度を高くする,すなわち前記空気比調整手段により一次側酸素濃度を高くする(前記調整2)と、前記触媒二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の酸素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が一次側の窒素酸化物濃度よりも低減し、かつ二次側の一酸化炭素濃度が実質的に零となる。また、前記特異基準濃度比K0Xよりも一次側酸素濃度を低くする(前記調整1)と、前記触媒の二次側において一次側酸素濃度と基準酸素濃度の差に応じた濃度の一酸化炭素が検出されるとともに、前記触媒の二次側の窒素酸化物濃度が実質的に零となり、かつ二次側の一酸化炭素濃度が低減する。
に、前記缶体3の長手方向の両側部に外側水管12,12,…を連結部材13,13,…で連結して構成した一対の水管壁14,14を設け、この両水管壁14,14と前記上部管寄せ9および前記下管寄せ10との間に前記バーナ1からのガスがほぼ直線的に流通する第一ガス通路15を形成している。前記第一ガス通路15の一端には前記バーナ1が設けられ、他端の排ガス出口16には排ガスが流通する第二ガス通路(煙道)17が接続されている。この実施例1においては、前記バーナ1および前記缶体3は、公知のものを用いている。
下の所定の領域でNOx濃度が実質的に零となり、空気比が1.0を越えるに従い、実質的に零から濃度が増加し、やがて前記触媒4の一次側の濃度と等しくなる特性を有している。この前記触媒4の二次側NOx濃度が、一次側の濃度と等しくなる空気比以下の領域をNOx・CO低減領域と称する。このNOx・CO低減領域の下限は、前記触媒4の二次側のCO濃度が300ppm(日本のCO排出基準)となる空気比とすることができる。この低空気比領域の空気比―NOx・CO特性は、これまで研究されてこなかった新規な特性である。
と考えられる。
5は、前記カップリング35の軸方向中央部の段付き部に、半径方向外側へ延出して固定される。この被検出板45は、前記カップリング35や前記駆動軸32と同心に設けられる。前記被検出板45の外周部の一部には、周方向等間隔に多数のスリット47,47…を形成したスリット形成領域48が設けられる。本実施例では、四分の一(90度)の円弧分だけ、前記スリット形成領域48が設けられる。このスリット形成領域48に形成される前記各スリット47は、同一の形状および大きさである。本実施例では、前記被検出板45の半径方向に沿った細長い矩形状の溝が、周方向に沿って等間隔に打ち抜き形成されている。
回転よりも低速でなされる。
([NOx]+2[O2])/[CO]≦2.0 …(3)
(式(3)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
この実施例1においては、直接制御しているのは、前記第一制御条件であり、この第一制御条件を満たすことにより、自動的に前記第二制御条件が満たされるように構成している。この点を図4および図7に基づき以下に説明する。
の前記一次特性と前記触媒による前記二次特性とに基づいて表現したものであるが、図7は、これを前記触媒4一次側の酸素濃度に対する前記構成要素の前記一次特性と前記触媒4の特性とに基づいて表現したものである。
[NOx]+2[O2]=[CO] …(3A)
酸素濃度をX1とした場合、一次側一酸化炭素濃度Y1は、Y1=2X1+[NOx]となる。なお、前記濃度比Kの値が1.0を越える2.0までの範囲で、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする前記基準所定濃度比K0とすることができることが確認されているので、前記第五ラインLは、図示のラインLに限定されず、前記式(2)を満たすラインとすることができる。
ものである。この図7から明らかなように、前記触媒4の二次側の酸素濃度および/または一酸化炭素濃度を検出し、この酸素濃度および/または一酸化炭素濃度が零となるように前記空気比調整手段28を制御すると、前記触媒4の一次側における前記濃度比Kが前記特異基準濃度比K0Xに制御され、前記触媒4の二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零に制御できる。こうして、前記第一制御条件を満たすと前記第二制御条件が満たされることになる。
されている。
(但し、Kはゲインであり、△Xは、(前記センサ7の前記出力値)−(前記設定値)との差である。)
サ7の検出空気比に対応した出力値を入力して、前記モータ34の駆動信号を出力して、前記ダンパ29の開度位置を調整させる。前記制御器8は、高燃焼時と低燃焼時の各基準設定空気比m0に対応した設定値となる前記ダンパ29の設定開度位置を原点からのパルス数でそれぞれ初期値として記憶している。
(実験例1)
す位置に配置しても測定濃度値は殆ど変わらないと考えられる。
(実験例2)
この実施例3において、前記実験例1と同じ条件(設定空気比を除く)で実験した場合、前記触媒4の一次側(前記触媒4通過前)のCO濃度,NOx濃度,O2濃度がそれぞれ10分間の平均値で1878ppm,78ppm,3192ppmに調整され、前記触媒4の二次側(前記触媒4通過後)のそれぞれの濃度が10分間の平均値で0ppm,42ppm,1413ppmとなった。
方で着火時などの風量制御を行うように構成することができる。この実施例4において、その他の構成は、前記実施例1と同様であるので、その説明を省略する。
化炭素(CO)の値は大きく変動しない。したがって、本実施例5によれば、低O2領域における一酸化炭素濃度を制御して安定した低空気比燃焼を行い、省エネルギ化と共に、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを容易に実現可能となる。
低空気比燃焼を行うことによる省エネルギー化と共に、前記触媒4を活性化させることによって、燃焼状態等の違いが生ずる場合があっても、排出NOx値が5ppmを下回るような極超低NOx化と低CO化とを実現可能な燃焼方法を得ることができる。
に応じて曲線および濃度値が異なるので、異なった特性を用いることができる。また、前記実施例1,2では、設定空気比を1.0以上としているが、燃焼性を損なわず、炭化水素を含まない範囲で、空気比1.0より低い値とすることができる。
4 酸化触媒
7 センサ
8 制御器
28 空気比調整手段
29 ダンパ
30 ダンパ位置調整装置
34 モータ
Claims (4)
- ガス発生源からの窒素酸化物,一酸化炭素および酸素を含む燃焼ガス中の窒素酸化物,一酸化炭素および酸素の濃度比Kを基準所定濃度比に調整する濃度比調整ステップと、
前記燃焼ガスとの接触により、酸素により一酸化炭素を酸化し、一酸化炭素により窒素酸化物を還元するとともに、一次側の前記濃度比Kを前記基準所定濃度比としたとき二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性の酸化触媒を利用して、窒素酸化物を低減する有害物質低減ステップとを含む燃焼方法であって、
前記濃度比調整ステップは、前記酸化触媒二次側の酸素濃度を検出して、検出酸素濃度が実質的に零近傍の設定酸素濃度となるように、前記濃度比Kを次式(1)および(2)を満たす前記基準所定濃度比に制御することを特徴とする燃焼方法。
([NOx]+2[O2])/[CO]=K …(1)
K≦2.0 …(2)
(式(1)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
- 前記濃度比調整ステップは、前記酸化触媒二次側の酸素濃度および一酸化炭素濃度を検出して、検出酸素濃度が実質的に零近傍の設定酸素濃度となるように、前記濃度比Kを次式(3)および(4)を満たす前記基準所定濃度比に制御することを特徴とする請求項1に記載の燃焼方法。
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]=K …(3)
K≦2.0 …(4)
(式(3)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O 2 ]>0の条件を満たす。) - ガス発生源からの窒素酸化物,一酸化炭素および酸素を含む燃焼ガス中の窒素酸化物,一酸化炭素および酸素の濃度比Kを基準所定濃度比に調整する濃度比調整手段と、
前記燃焼ガスとの接触により、酸素により一酸化炭素を酸化し、一酸化炭素により窒素酸化物を還元するとともに、一次側の前記濃度比Kを前記基準所定濃度比としたとき二次側の窒素酸化物濃度および一酸化炭素濃度を実質的に零とする特性を有する酸化触媒とを備える燃焼装置であって、
前記酸化触媒二次側の酸素濃度を検出するセンサを備え、
前記濃度比調整手段は、前記センサによる検出酸素濃度が実質的に零近傍の設定酸素濃度となるように、前記濃度比Kを次式(5)および(6)を満たす前記基準所定濃度比に制御することを特徴とする燃焼装置。
([NOx]+2[O2])/[CO]=K …(5)
K≦2.0 …(6)
(式(5)において、[CO]、[NOx]および[O2]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O2]>0の条件を満たす。)
- 前記センサは、前記酸化触媒二次側の酸素濃度および一酸化炭素濃度を検出するセンサとし、
前記濃度比調整手段は、前記センサによる検出酸素濃度が実質的に零近傍の設定酸素濃度となるように、前記濃度比Kを次式(7)および(8)を満たす前記基準所定濃度比に制御することを特徴とする請求項3に記載の燃焼装置。
([NOx]+2[O 2 ])/[CO]=K …(7)
K≦2.0 …(8)
(式(7)において、[CO]、[NOx]および[O 2 ]はそれぞれ一酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度および酸素濃度を示し、[O 2 ]>0の条件を満たす。)
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