JPS63311025A - 多段燃焼器の燃焼制御方法及びその装置 - Google Patents

多段燃焼器の燃焼制御方法及びその装置

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JPS63311025A
JPS63311025A JP14315187A JP14315187A JPS63311025A JP S63311025 A JPS63311025 A JP S63311025A JP 14315187 A JP14315187 A JP 14315187A JP 14315187 A JP14315187 A JP 14315187A JP S63311025 A JPS63311025 A JP S63311025A
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combustor
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Michio Kuroda
黒田 倫夫
Yasumasa Nishijima
庸正 西嶋
Katsukuni Kuno
久野 勝邦
Seiichi Kirikami
桐上 清一
Nobuyuki Iizuka
飯塚 信之
Yoji Ishibashi
石橋 洋二
Takashi Omori
隆司 大森
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23NREGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2900/00Special features of, or arrangements for controlling combustion
    • F23N2900/05003Measuring NOx content in flue gas

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は産業用ガスタービン用燃焼器に係り、特に排気
ガス中の窒素酸化物NOx濃度の低い、多段燃焼器の燃
焼制御方法並びにその装置に関するものである。
〔従来の技術〕
本発明に関する従来技術としては、エイ・ニス・エム・
イー ペーパー 85−GT−50(1985) (A
SME paper 85−GT −50(1985)
)に通常の燃焼器をNOx、Coの値を制限値以内にお
さえて運転するため、燃焼器内に水噴射を行ない、その
量を大気温度によって経験的に一義的に決定している例
がある。
C発明が解決しようとする問題点〕 上記、従来技術は、燃焼器の燃焼ガス温度を低下してN
Oxを低減するために水噴射をしているものである。
この方式においては燃料噴射ノズルが燃焼室の頭部にの
み設けられた、いわゆる単段燃焼であるため、単に水噴
射量を大気温度のみの関数として経験的な値に一義的に
定めて低NOx運転を行なっている。
このような湿式のN Ox低減法は、ガスタービンプラ
ント全体として効率の低下を伴うため、水噴射を行わな
い。いわゆる乾式のNOx低減法が種々開発されつつあ
る。乾式の低NOx化技術は、従来技術に示した湿式の
方法とは、異なる技術であり、大気温度などの変化に対
する要求に対しては、当然ながら異なる対応が必要にな
る。
本発明の目的は、2段燃焼器において、大気温度、湿度
ばかの周囲条件の変化によるN Ox値の変化を、燃空
比の配分の制御によって吸収し、いかなる条件において
もNOx値を制限値以内におさえる運転を行なう制御法
を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記の目的は、2段燃焼器の第1段目および第2段目の
総合燃料供給量を負荷により定まる値に保ちつつ、第1
段目燃料流量と第2段目燃料流量との比を、燃焼ガス中
のNOxの濃度に応じて変えることにより達成される。
〔作用〕
多段燃焼器の一例として、第1段目に拡散燃焼、第2段
に予混合燃焼を行なう2多燃焼器をとり本発明の作用の
原理を説明する。
燃焼現象を大別すると拡散燃焼と予混合燃焼になる。こ
れらの燃焼をおこす場合のN Ox発生量は一般的に第
2図のようになる。この図かられかるように、N Ox
の発生量を低減するためには稀薄燃焼が非常に有効であ
る。また、予混合の度合をあげた方、つまり完全予混合
にすると、燃空比が低くなるにつれて急激にNOxが小
さくなりNOx低減の可能性が大きいことがわかる。
しかし、燃焼の安定性からみると拡散燃焼の場合より予
混合燃焼の場合が安定な燃室比の範囲が狭いという特徴
を持っている。
一方、ガスタービン燃焼器は起動から定格負荷まで、燃
室比の変化範囲が非常に広いのが特徴の1つである。運
転の全負荷帯で安定な運転を行なうには、燃室比の変化
の大きい、起動、低負荷帯では安定燃焼範囲の広い拡散
燃焼を用い、NOxの低減が必要な高負荷時には予混合
燃焼を行なうことが有効になる。
第3図は第1段、第2段ノズル(Fl、 F2)の作動
域を示したものである。拡散燃焼のみの燃焼方式と、稀
薄燃焼を用いた拡散燃焼と予混合燃焼の組合せた方式の
比較して示しである。従来の拡散燃焼方式のみの場合に
対して、第1段目には稀薄燃焼の拡散燃焼ノズルを用い
、第2段目には予混合燃焼ノズルを用い、総合的にNO
xの低減をはかつている例である。この燃焼器の詳細は
特開昭61−22127号公報に開示されている。
以上がNOxの面から見た2段燃焼器の作動の概略であ
るが、実機の燃焼器の燃焼性能という面から考えると一
酸化炭素COの問題がある。COは未燃成分の一つであ
り、燃焼性能が悪くなると発生量が増加する。第4図は
第1段目と第2段目の燃室比とCo、NOxの関係を示
したものである。本燃焼器の場合はまず第1段目のノズ
ルに着火し、次に、第1段目の火炎によって第2段目の
着火する方式をとっている。第1段の空燃比F1/ A
 1一定値0.02の場合を例にとって第4図を説明す
る。F1/At=0.02 で第1段の燃焼を行ない、
ある負荷に達したのち、第2段目に着火させるため、燃
室比を上昇させてゆくとF2/A2=0.02付近の斜
線の領域でF2に着火するしかし、十分な燃焼には至ら
すCOが多く発生する。このCOもF 2 / A 2
が大きくなるにつれて、燃焼が十分に行なわれるように
なり、低下してくる。このことは、燃焼ガス温度が次第
に高くなってくることも示しており、COが低下してゆ
くと同時にNOxが増加する。斜線で示した領域が約1
50ppmの領域であり、F2/A2が増加するに従っ
てさらにNOxは増加してゆくことになる。
実機の燃焼器においてはF1/A1=0.02 の場合
CO、NOxともに低い領域であるF2/A2が0.0
3 から0.04  の間で運転点が選定されることに
なる。
すなわち、NOxとCOには一方が低減されると他方が
増加するという相反する傾向があり、双方ともに満足す
る領域を運転領域として選定することが重要である。
また、実機の燃焼器のNOxの値を左右する重要な要素
として考えなければならないものに、大気条件、経年変
化による形状の変化などがある。
NOxは一般に、大気温度、湿度などによって大きく変
化することがわかっている。燃焼器の構造によって実験
係数が異なるが、大気温度が10℃変化すればNOxの
値は約4%、湿度が30%変化すれば約6%NOxの値
が変化する。さらに、大気温度が変化すれば圧縮機出口
の圧力が変化し、それに続く燃焼器内の圧力が変化する
こと、経年変化で燃焼器形状に変形が起これば燃焼部の
燃室比が変化することもあること、などによってNOx
の値が変化する。
これらの変化を推定する方法は実験的な係数を入れた実
験式で行なうのが通常であり、燃焼器の構造によって定
めた式を用いて推定を行なっている。実機の運転にあた
っては、このような特性を考慮して行なわなければなら
ない。
以上述べたように、一つの燃焼器形状が製作され運転さ
れる場合、NOx、COの量は大気などの周辺条件、第
1段、第2段ノズルに対する燃料配分比などにより定ま
り、一義的に定まるものではない。第5図は第1段目の
拡散燃焼と第2段目の予混合燃焼の部分のNOx特性を
示したものである。同じ当量比の場合には拡散燃焼のN
Oxは大きいが当量比の広い範囲での燃焼が可能である
予混合燃焼はそれとは反対に、N Oxは低いが燃焼範
囲は狭い。この図から、全体として同じ量の燃料を燃焼
させる場合においても、換言すれば、負荷が一定の時に
おいても第1段と第2段の燃料配分を変えれば、空気配
分一定の条件では燃空比の配分が変わり、全体のNOx
の値を変えることができることが推定できる。
第6図は、空気配分一定の条件で前述のような種々の周
辺環境の変化に対して、いかにしてNOx 。
COの値を制御するかを示したものである。座標軸とし
てはNOx、Coの値とガスタービン負荷をとっである
。ガスタービン負荷は第1段目の燃料量F1と第2段目
の燃料量F2を総合した値(F1+F2)に比例する値
であり、(F1+F2)をとっているとも云える。今、
運転負荷範囲をLA−LBとする。N Oxの曲線群は
(NOx−L)面上の曲線であり、パラメータとしてF
l/(F1+F2)をとっており、この値が大きい程N
Oxが高くなる。NOxの制限値をNAとすると負荷L
^、LBの時の点IN 、2N を結ぶ直線以下にNO
xの値があればよい。
しかし、NOxが下がりすぎると一般にCOが多くなる
。COの曲線群は(NOx−Co)面上の曲線であり、
例えば、負荷L^でのCOの曲線でみれば、N0XIN
でのCOの値はlc 、 NOx3NでのCOの値は3
Cであり、N Oxの値が下がると、COは急激に増加
する。COの制限値をC八とすると、負荷LAでのCO
の制限値の点は3cであり、これに対するNOxの値は
3Nとなる。したがって、NOx、GOを考慮すれば負
荷LAの時にはINと3Nの間で運転すればよいことに
なり、この間のNOxの値はパラメータF17 (F1
+F2)を選ぶことによって変化できることになる。負
荷LBの時も同様に2Nと4Nの間に運転可能領域があ
る。
以上のようなことから、L^〜LBの運転範囲において
は、lN−2N−4N−3Nの四辺形の中にNOxが入
るようにFi/(F1+F2)を選べばCOの制限値も
満たした運転が可能である。
例えば、負荷LBの時、大気温度など周辺条件の変化に
よってNOxが2点のような制限範囲に入らないことは
起り得ることである。この場合、NOx、Goを制御値
内に抑えるには、(F1+F2)を一定、すなわち、負
荷LB一定のままで、Fl 、F2の割合を変えること
によってF 1/ (F 1+F2)を小さくし、NO
xを2N以下にすることができる。
NOxを制限値に抑えた場合の運転点はlN−2Nの線
上にあり、3N−4Nの線上はCOの制限値を満たすN
Oxの最低値を実現する線であり、NOxから見れば最
適値の運転線である。また、F 1/ (F t+ F
 2)を選ぶことにより運転者はNOxを設定して運転
することも可能である。
以上のように、多段燃焼器において周辺条件の変化によ
って発生するNOxの変化は、各段の燃料配分を変更す
ることにより制限値内に抑えることが可能である。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図によって説明する。本
図は2段燃焼の場合について適用した場合について示し
たものである。
まず、システム構成の概略を説明する。これはコンバイ
ンドプラン1〜の例であるが、空気は圧縮機1に導入さ
れ、高圧にされたのち、2の燃焼器に導かれ、高温の燃
焼ガスになり、タービン8に入り、発電機4を駆動し発
電する。タービン3からの排気ガスは排熱回収ボイラ5
で排熱を蒸気として回収されたのち、脱硝装置6でNO
xをさらに低減され煙突から大気中に放出される。
燃焼器2についてさらに詳細に説明する。本燃焼器は2
段燃焼器であり、燃料は第1段燃料(Fl)7と第2段
燃料(F2)8に分割され、それぞれ第1段ノズル9と
第2段ノズル10から噴射される。
第1段ノズル9には第1段へラダ11があり、複数個の
第1段ノズル9に均等に燃料が配分されるようになって
いる。第1段ノズル9から噴射された燃料は内筒12と
外筒13でかこまれた副室14で燃焼する。
一方、第2段燃料8は第2段ノズル10から噴射された
のち、スワラ−15を通る間に燃焼用空気と予混合され
たのち、主室16に導かれ予混合燃焼を起こす。本燃焼
器はまず第1段燃料に着火し、ある程度の負荷に至るま
で燃料流量を増加させていった後、第2段の燃料を投入
し、第1段の燃焼ガスを利用して第2段の燃料に点火さ
せ、定格負荷まで燃料を増加してゆく運転を行なってい
る。
ここで発生した高温ガスは尾筒17によってタービン3
に導かれる。
本システムの例では、ガスタービン3の燃焼ガス、具体
的には、ガスタービン排ガスの成分、特にNOx、Co
を直接測定または他の測定値から推定して濃度情報を得
る排ガス特性取得装置18と、大気条件、特に気温、湿
度等、NOx発生量に大きく影響を及ぼす量の測定を行
なう大気条件測定装置19と、これに基づき圧縮機出口
空気の状態を推定する圧縮機出口条件(圧力、温度)算
出装置20をシステムの制御のための情報として取得し
、これらを燃料流量配分設定装置21に導びき、第1段
燃料7と第2段燃料8の配分を決定する。これにより第
1段燃料弁22.第2段燃料弁23を制御する。
第7図において、ガスタービンの燃料系統および制御系
統につき、更に詳細に説明する。燃焼器2に供給される
燃料32は、第1段燃料と第2段燃料8に分流される。
第1段燃料7は、第1段流量計33により、計測され、
第1段燃料弁22にて流量制御される。第2段燃料23
も同様に第2段流量計34と第2段燃料弁23を通過す
る。
第1段燃料弁22と第2段燃料弁23は、燃料流量配分
設定装置21(信号分割器)より信号35.36を受け
、燃料弁22.23と流量計33.34は、それぞれ単
独でマイナループを構成し、フィードバック制御を行な
う。
信号分割器21は、ガスタービンの負荷要求信号37と
実測負荷信号38に偏差が生じると、偏差を零とするよ
う働くとともに、負荷要求信号37の関数として、その
信号を分割し、それぞれの燃料弁22.23に与えるも
のである。
分割された信号35.36は、それぞれNOxバイアス
信号39とCOバイアス信号40を受ける。NOx濃度
の最大設定値41に対し、例えば、10点のサンプリン
グによる実測N Ox濃度の平均値42と、比較し、差
があり、かつ、実測N0x濃度が高い場合、ローバリユ
ーザ−1・43を介して、第1燃料弁22へ、閉(−)
の信号44を与え第2燃料弁23へ開(+)の信号45
を与えて、F1/F2の比を調整する。実測NOx濃度
が低い場合は、ローバリューゲート43から出る信号3
9は零であり、燃料弁22.23の開度は、そのまま保
持される。同様に、CO濃度46が設定値47より高く
なった場合、逆に、第1燃料弁22へ(+)の信号48
を与え、第2燃料弁23へ(−)の信号49を与える。
曲者、後者共、第1.2燃料弁22.23を通過する燃
料7,8の総和は常に負荷信号で定まる値になっている
第8図は、第7図における流量計33.34を、燃料弁
ストロークポテンショメータ50,51にて、置き換え
たものである。弁ストロークフィードバック制御方式は
、従来の低N Ox化を図らない燃焼器の燃料系統に使
われている。この方式は、燃料流量の分割精度は、おど
るが、燃料の圧力変動の影響を受けにくく、弁ストロー
クの振動現象、いわゆるハンチングを起しにくい点にて
優れている。
信号分割器21は、負荷要求信号37の関数とし、第9
図の如く分割する。ガスタービンの無負荷から25%負
荷まで、第1燃料弁22のみに信号を与え、第2燃料弁
23は、全閉である。25%負荷にて第2燃料弁22を
開とし、第1.第2燃料7,8の流量を、同一(F1/
F2=1)とする。これが、標準の燃料分割であり、実
測NOx42またはCO濃度46が、設定値41.47
を越えると、前述の如く、バイアス信号39.40を受
け、F1/F2が、1以外となる。
ところで、ガスタービンの最大負荷は、大気温度にて、
大きく変わり、燃料切換点負荷(最大負荷の25%)は
、大気条件19(温度、圧力、湿度)により補正する必
要があり、この補正法は、ガスタービンメーカならびに
ユーザに良く知られているものである。
たとえば、大気温度が15℃から5℃になった場合、空
気流量は、3.6%増加する。従って、大気温度5℃の
燃料切換負荷も、大気温度15℃の燃料切換負荷に対し
、3.6%増加すると、燃焼条件として同一となる。
また、ガスタービンの最大負荷は、経年的に、特に、圧
縮機翼のよごれにより圧縮機効率が低下した場合、変化
し、この影響は、圧縮機吐出条件20(圧力、温度)に
現われる。従って、燃料切換点負荷は、吐出条件20に
より補正する必要があり、この補正法は、ガスタービン
メーカおよびユーザに良く知られているものである。
例えば、圧縮機出入口の温度差が、経年的に5℃上昇し
た場合、燃料流量は、定格条件で1%減となる。従って
、燃料切換負荷も、1%減とすると、燃焼条件は、オリ
ジナルの条件と同一となる。
以上の如く、2段燃焼器2の燃料7,8は、制御される
が、どの様な機器においても言えることであるが、機器
異常または、制御異常に、どう対処するか、明確にする
必要があり、以下明らかにする。
排ガス特性取得装置6は、ガスタービンの排気ダクト5
2から、10ケ所ガスサンプリングを行ない、それぞれ
、NOxおよび(0濃度を分析する。燃焼状態が正常な
場合、各ケ所におけるNOx濃度のその平均値からの偏
差は、第10図に示す如く非常に小さい。しかしながら
、例えば、燃焼器2の10本の内一本に燃料が過少に流
れている場合、その燃焼器2の下流では、NOx濃度が
非常に低くなり、またCO濃度も増加する。1ケ所でも
NOx濃度がその平均値の90%より低い場合は、演算
比較器55にて判別し警報(ブザー58、ランプ57点
燈)を発する。また、NOxおよびCO濃度は、正常燃
焼の場合、第11図に示す相関がある。上記の例の如く
、比較器56にてこの巾から外れた場合、異常と判断し
、警報(ブザー58.ランプ57点燈)を発する。
従来の燃焼器は、逆火のおそれのない拡散燃焼を使って
いたが、本発明中の燃焼器2は、低NOx化を図るため
、2段燃焼方式を用いており、起動。
低負荷時は、拡散燃焼を用い、高負荷時は、予混合燃焼
を用いる。予混合燃焼は、第3図に示す如く低N Ox
化に効果大であるが、逆火することがある。逆火により
、燃焼は、予混合から拡散燃焼へ移り結果として、NO
x濃度が高くなり、燃焼器2を焼損させることがある。
この現象は、排気ダク1〜52から10ケ所ガスサンプ
リングを行ない、NOx濃度が、局所的に高くなってい
るかどうかにて判断することができる。
この実施例では、1ケ所でもNOx濃度が、その平均値
の115%以上となった場合、逆火と判断し、第2燃料
弁23を全閉する。この場合、同時にベルが鳴り、かつ
ガスタービン重故障の赤いランプが点燈する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、多段燃焼器において、大気条件の変化
、経年変化、燃焼器構造の変形の結果化ずるNOx、C
o値の変化に対して、燃空比の配分を変え、NOx、C
o双方の制限値を満足する運転を行なうことが可能であ
り、このような周辺条件の変化に対しても環境的に制限
値を満たした信頼性の高い運転が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す断面図、第2図は燃焼方
式とNOx発生量の関係図、第3図は2段燃焼の燃焼条
件を示す特性図、第4図は燃空比の配分によるNOx、
Coの発生状況を示す図、第5図は2段燃焼器各燃焼部
のNOx測定例、第6図はNOx、Coを考慮した場合
の運転領域の図、第7図は本発明実施例の詳細図、第8
図は本発明の他の実施例を示す図、第9図は燃料分割比
を示す特性図、第10図は排気ダクト内NOx濃度分布
の測定結果を示す図、第11図はN OxとCO濃度の
相関を示す特性図である。 1・・・圧縮機、2・・・燃焼器、3・・・タービン、
4・・・発電機、5・・・排熱回収ボイラ、6・・・脱
硝装置、7・・第1段燃料(Fl) 、8・・・第2段
燃料(F2) 、9・・・第1段ノズル、10・・・第
2段ノズル、11・・・第1段ヘッダー、12・・・内
筒、13・・・外筒、14・・・副室、15・・・スワ
ラ−116・・・主室、17・・・尾筒、18・・・排
ガス特性取得装置、19・・・大気条件測定装置、2o
・・・圧縮機出口条件測定装置、21・・・燃料流量分
配設定装置、22・・・第1段燃料弁、23・・・第2
段燃料弁、53・・・N Oxガスサンプリング管、5
4・・COガスサンプリング管。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、筒状の燃焼室の頭部寄りに第1段目燃料供給手段を
    、燃焼ガスの流れに関し、その下流側に第2段目燃流供
    給手段を備えた多段燃焼器において、前記第1段目及び
    第2段目燃料供給手段の総合燃料流量を負荷により定ま
    る値に保ちつつ、第1段目及び第2段目燃料供給手段へ
    の燃料分流比を、燃焼ガス中のNO_xの濃度が高くな
    ると第2段目燃料供給手段への燃料流量の比率が高くな
    るように調整することを特徴とする多段燃焼器の燃焼制
    御方法。 2、特許請求の範囲第1項記載の方法において、第1段
    目及び第2段目燃料供給手段の燃料流量の分流比は予め
    一定値に設定されており、燃焼ガス中のNO_xの濃度
    が許容値を越えた場合、前記燃料の分流比を変更するよ
    うにした多段燃焼器の燃焼制御方法。 3、特許請求の範囲第1項記載の方法において、燃焼ガ
    ス中のCO濃度を検出し、検出されたCO濃度が許容値
    を越えた場合には、前記燃料分流比を、第1段目燃料供
    給手段の燃料流量の比率が高くなる方向に補正すること
    を特徴とする多段燃焼器の燃焼制御方法。 4、特許請求の範囲第3項記載の方法において、前記燃
    料分流比は、予め定められた一定値に設定されており、
    前記CO濃度が、許容値を越えた場合のみ、前記燃料の
    分流比を変更するようにした多段燃焼器の燃焼制御方法
    。 5、筒状の燃焼室と、該燃焼室の頭部近傍に燃料を供給
    する第1段目ノズルと、燃焼ガスの流れに関して第1段
    ノズルよりも下流側において前記燃焼室に燃料を供給す
    る第2段目ノズルと、燃焼室に燃焼用空気を供給する手
    段と、前記第1段目及び第2段目ノズルの総合燃料量を
    負荷に応じて決定する手段と、燃焼ガス中のNO_x濃
    度を検出する手段とを備えた多段燃焼器において、前記
    NO_x濃度検出手段からの信号に応じて、前記第1段
    目及び第2段目ノズルの総合燃料流量を負荷により定ま
    る値に保ちつつ、両ノズルへの分流比を変更する手段を
    設けたことを特徴とする多段燃焼器の燃焼制御装置。 6、前記第1段目ノズルは、燃焼室内に突出して設けら
    れ、第2段目ノズルは空気供給路に設けられ、燃焼室内
    には第1段目ノズルからの燃料による拡散火炎と、第2
    段目ノズルからの燃料による予混合火炎とが形成される
    ようにした特許請求の範囲第5項記載の多段燃焼器の燃
    焼制御装置。 7、前記総合燃料量を負荷に応じて決定する手段は、負
    荷要求信号から総合燃料流量信号を出力する変換器と、
    前記総合燃料流量信号を所定の比に分割する分割器とを
    含み、前記分流比を変更する手段はNO_x濃度検出手
    段からの検出信号に応じて前記分割器にて分割された信
    号の一方に所定値を加え、他方より所定値を減ずるよう
    に補正を加える加算器と、前記補正された信号に応じて
    、前記第1段目ノズル、第2段目ノズルへの燃料量を制
    御する調整弁とを含む特許請求の範囲第5項記載の多段
    燃焼器の燃焼制御装置。 8、更に、燃料ガス中のCO濃度を検出するCO濃度検
    出器と、該検出器からの信号に応じて、両ノズルへの燃
    料の分流比を補正する手段を設けた特許請求の範囲第5
    項記載の多段燃焼器の燃焼制御装置。
JP62143151A 1987-06-10 1987-06-10 多段燃焼器の燃焼制御方法及びその装置 Expired - Fee Related JPH0674892B2 (ja)

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