KR101398191B1 - 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템 - Google Patents

고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 고온으로 배출되는 합성가스의 열에너지를 그대로 이용하고, 고온의 건식 공정을 통해 집진과, 탈황제와 탈염제가 혼합된 하나의 고정층 단일반응기에서 탈황과 탈염을 동시에 달성하고, 고정층 단일반응기의 탈황제 및 탈염제를 자동으로 배출하고, 이들을 분리하여 탈황제는 재생후 재순환하여 사용하고, 탈염제는 폐기되도록 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템에 관한 것이다.

Description

고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템{HIGH TEMPERATURE PURIFICATION SYSTEM FOR SIMULTANEOUSLY REMOVING DESULPHURIZATION AND DESALINATION IN SYNTHETIC GAS USING FIXED BED SINGLE REACTOR}
본 발명은 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 고온으로 배출되는 합성가스의 열에너지를 그대로 이용하고, 고온의 건식 공정을 통해 집진과, 탈황제와 탈염제가 혼합된 하나의 고정층 단일반응기에서 탈황과 탈염을 동시에 달성하고, 고정층 단일반응기의 탈황제 및 탈염제를 자동으로 배출하고, 이들을 분리하여 탈황제는 재생후 재순환하여 사용하고, 탈염제는 폐기되도록 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 석탄, 중질잔사유, 바이오매스(biomass), 폐기물 등의 연료를 가스화기(가스화 용융로)에서 가스화 반응시키면, 고온, 고압상태의 합성가스가 생성되어 배출되게 되는 바, 이러한 합성가스를 연료전지용 연료나 화학연료를 제조하기 위한 원료 등으로 전환하기 위해서는 반드시 해당 합성가스내의 오염물질들을 고순도로 정제해야만 한다.
구체적으로, 합성가스내에는 부식성이 강하면서도 화학연료 제조용 촉매 등에 부식, 피독현상을 나타내는 황화합물(H2S, COS), 염소화합물(HCl), 타르(tar), 암모니아(NH3),먼지, 미량의 불순성분들(오염물질들)이 포함되게 되므로, 이들을 정제한 후 이용목적에 따라 활용해야만 한다.
즉, 통상적으로 가스엔진에 적용 가능한 황화합물의 농도는 1~20ppm 수준, 연료전지의 연료로 사용하는 경우에는 1ppm 수준, 화학원료를 제조하기 위한 원료로 사용하는 경우에는 1ppm 이하로 알려져 있다.
이와 관련하여, 종래의 정제 기술을 살펴보면 다음과 같다.
한국 공개특허 10-2007-0036318호(석탄가스화 합성가스의 탈황 정제시스템)에는, 고온, 고압의 합성가스에 포함된 황화수소(H2S) 등의 산성가스 제거를 위해 가성소다(NaOH) 수용액 또는 촉매용액을 분무하는 산성가스 제거 기술이 개시되어 있으나, 이러한 공정은 습식 공정으로 당초 합성가스가 보유한 현열을 활용하지 못하고 합성가스의 온도를 내려야만하기 때문에 에너지측면의 불합리한 면이 있으며 별도의 냉각 시설을 필요로 하는 문제점이 있다.
또한, 연료전지나 화학연료에 합성가스를 사용하기 위하여 건식 공정으로 기존의 고정층이나 유동층 탈황법을 적용할 시에는 탈황기에 주입된 탈황제의 비산등 미세한 마모탈황제의 추가 집진이 필요한 문제점이 있다.
또, 탈황 전ㅇ후 염화수소가 문제될 경우에는 추가로 탈염을 위한 반응기를 추가로 설치하여 운영해야 되므로 두 개의 고정층 반응기를 설치함으로 인해 반응기 설치비 상승뿐 아니라 유지보수에 있어서 불편한 단점들이 발생하게 된다.
한국 공개특허 10-2007-0036318호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고온으로 배출되는 합성가스가 보유한 열에너지를 그대로 이용하고, 고온의 건식 공정을 통해 집진과, 탈황제와 탈염제가 혼합된 고정층 단일반응기에서 탈황과 탈염을 동시에 제거하도록 함으로써 설치 부지 저감 뿐 아니라 반응기 설치비를 감소시킬 수 있는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
따라서, 본 발명은 고정층 단일반응기의 탈황제 및 탈염제를 자동으로 배출하고, 이들을 분리하여 탈황제는 재생 후 재순환하여 사용하고, 탈염제는 폐기되도록 함으로써 운영비를 줄이고, 연속 운영할 수 있도록 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고정층 단일반응기 이후로 배출되는 미세분진의 추가 집진이 가능한 백필터기술을 활용하여 탈황제 밀 탈염제의 사용효율을 높이며 추가적인 집진까지 달성이 가능하도록 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
가스화기에서 배출되어 열회수기를 통해 열이 회수된 후 상기 열회수기로부터 배출되는 300℃ 이상의 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 분진을 제거하여 배출하는 집진기와; 상기 집진기에서 배출되는 합성가스를 공급받아 합성가스를 내부에 적재된 탈황제와 탈염제를 통과시켜 황화합물과 염소화합물을 제거하여 배출하는 고정층 단일반응기와; 상기 고정층 단일반응기의 하단에 설치되어 탈황제와 탈염제 일부를 외부로 배출시키는 배출 수단과; 상기 배출 수단에서 배출된 탈황제와 탈염제를 분리시키는 분리 수단과; 상기 분리 수단을 통해 분리된 탈황제를 이동시키는 이동 수단; 및 상기 이동 수단을 통해 투입되는 탈황제를 재생하여 상기 고정층 단일반응기로 재투입하는 재생 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템은 신규 탈염제가 저장되고, 상기 고정층 단일반응기 내부로 배출량 만큼의 신규 탈염제를 공급하는 탈염제 공급조를 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템은 상기 고정층 단일반응기에서 배출되는 합성가스를 공급받고, 내부로 탈황제와 탈염제를 분사하여 황화합물과 염소화합물을 제거하여 배출하고 추가 집진을 달성하는 1차 반응기; 및 상기 1차 반응기에서 배출되는 합성가스를 공급받아 촉매 또는 흡착제를 통과시켜 타르 및 암모니아를 동시 제거하여 배출하는 2차 반응기를 더 포함한다.
여기에서 또, 상기 고정층 단일반응기는 하단으로 탈황제와 탈염제를 용이하게 배출하도록 하단에 양단에 경사면이 형성된다.
여기에서 또, 상기 고정층 단일반응기는 내부에 탈황제와 탈염제가 반응기내 혼합되어 적재된다.
여기에서 또, 상기 배출 수단은 상기 고정층 단일반응기의 하단에 설치되어 서로 다른 입경을 가지는 탈황제와 탈염제를 회전 또는 진동 또는 개폐에 의해 일정량 배출한다.
여기에서 또, 상기 분리 수단은 입자가 상대적으로 큰 탈황제와 입자가 상대적으로 작은 탈염제를 선별 배출한다.
여기에서 또, 상기 1차 반응기는 상기 고정층 탈황 반응기에서 발생되는 미세분진의 추가 집진이 가능한 백필터 타입이다.
여기에서 또, 상기 2차 반응기는 촉매 필터 타입 또는 고정층 타입이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템에 따르면, 고온으로 배출되는 합성가스를 그대로 이용하고, 고온의 건식 공정을 통해 집진과, 탈황제와 탈염제가 혼합된 하나의 고정층 단일반응기에서 탈황과 탈염을 동시에 제거하도록 함으로써 설치 부지를 줄여 설치비를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 반응기의 탈황제 및 탈염제를 자동으로 배출하고, 이들을 분리하여 탈황제는 재생하고 재순환시키고, 탈염제는 폐기되도록 함으로써 운영비를 줄이고, 연속 운영할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 고정층 단일반응기 이후로 배출되는 미세분진의 추가 집진이 가능한 백필터기술을 활용하여 탈황제 밀 탈염제의 사용효율을 높이며 추가적인 집진까지 달성이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템을 이용하여 정제 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
이하, 본 발명에 따른 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템(100)은, 집진기(110)와, 고정층 단일반응기(120)와, 배출 수단(130)과, 분리 수단(140)과, 이동 수단(150)과, 재생 수단(160)과, 탈염제 공급조(170)와, 1차 반응기(180)와, 2차 반응기(190)로 구성된다.
먼저, 집진기(110)는 가스화기(1)에서 배출되어 열회수기(3)를 통해 열이 회수된 후 열회수기(3)로부터 배출되는 300℃ 이상의 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 분진을 제거하여 배출한다. 여기에서, 집진기(110)는 저비점 중금속이 제거되는 온도 이하를 유지하고, 500~600℃의 범위에서 동작하는 것이 바람직하다.
그리고, 고정층 단일반응기(120)는 집진기(110)에서 분진이 제거되어 배출되는 합성가스를 공급받아 합성가스를 내부에 적재된 탈황제와 탈염제를 통과시켜 황화합물과 염소산화물을 제거하여 배출한다. 여기에서, 고정층 단일반응기(120)는 하단으로 탈황제와 탈염제를 용이하게 배출하도록 하단에 양단에 경사면(121)이 형성된다. 여기에서 또한, 고정층 단일반응기(120)는 내부에 탈황제와 탈염제가 동일 비율 또는 서로 다른 비율로 혼합되어 적재되는 데, 탈황제는 Zn계열이 적용되고, 탈염제는 Na계열이 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 고정층 단일반응기(120)는 집진된 가스 온도 이하이며, 바람직하게는 450~500℃의 범위에서 동작한다. 한편, 고정층 단일반응기(120)는 기존의 탈황/탈염반응기로 구분된 두 개의 반응기를 하나로 합치는 것이 아니라 단일 반응기 내로 주입된 탈황제와 탈염제가 연속적으로 주입 및 분리ㅇ배출이 가능하여야 한다. 이런 시스템이 구축된 고정층 단일반응기(120)가 아니면 공정 운전시 연속 운전이 불가능하며 실 공정 적용시 병렬식으로 반응기를 배치하여 교대운전을 해야 되는 불편함이 있다.
또한, 배출 수단(130)은 고정층 단일반응기(120)의 하단에 설치되어 기설정된 시간동안 일정 주기를 가지며 동작되어 탈황제와 탈염제 일부를 외부로 배출시킨다. 여기에서, 배출 수단(130)은 고정층 단일반응기(120)의 하단에 설치되는 스크류인 것이 바람직하나, 이외에도 모터, 공압 또는 유압에 의해 동작되는 실린더, 진동 모터, 개폐 도어 등의 적용이 가능하다.
또, 분리 수단(140)은 배출 수단(130)에서 배출된 탈황제와 탈염제를 분리시킨다. 여기에서, 분리 수단(140)은 입자가 상대적으로 큰 탈황제를 상부로 배출하고, 입자가 상대적으로 작은 탈염제를 하단으로 배출하는 진동 스크린이 적용되는 것이 바람직하나 상기 진동 스크린 외에 선별 기능을 수행할 수 있는 선별 장치면 사용 가능하다.
한편, 이동 수단(150)은 컨베이어 벨트와 같은 운반 장치로서 분리 수단(140)을 통해 분리된 탈황제를 이동시킨다.
그리고, 재생 수단(160)은 공지된 탈황제를 재생하는 재생기로서 이동 수단(150)을 통해 투입되는 탈황제를 재생하여 고정층 단일반응기(120)로 재투입한다. 한편, 재생 수단(160)에서 고정층 단일반응기(120)로 연결되는 관로상에는 신규 탈황제가 저장되고, 고정층 단일반응기(120) 내부로 미재생되는 탈황제량만큼 신규 탈황제를 공급하는 탈황제 공급조(161)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 탈염제 공급조(170)는 신규 탈염제가 저장되고, 고정층 단일반응기(120) 내부로 배출량 만큼의 신규 탈염제를 공급한다.
또, 1차 반응기(180)는 고정층 단일반응기(120)에서 1차 탈황 탈염되어 배출되는 합성가스를 공급받고, 내부로 탈황제와 탈염제를 분사하여 황화합물과 염소화합물을 제거하여 배출한다. 여기에서, 1차 반응기(180)는 백필터 타입이 적용되는 것이 바람직하고, 탈염제는 Na계열이, 탈황제는 Zn계열이 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 1차 반응기(180)는 집진된 가스 온도 이하이며, 바람직하게는 300~500℃의 범위에서 동작한다.
한편, 2차 반응기(190)는 1차 반응기(180)에서 2차 탈황 탈염되어 배출되는 합성가스를 공급받아 촉매를 통과시켜 타르 및 암모니아를 제거하여 배출한다. 여기에서, 2차 반응기(190)는 촉매 필터 타입 또는 내부에 촉매 또는 흡착제가 적층된 고정층 타입으로서 도면상에서는 촉매 필터 타입을 도시하였다. 또한, 2차 반응기(190)는 탈염 및 탈황 온도 이하이며, 타르 및 암모니아 제거 온도 이상인 300~600℃의 범위에서 동작하고, 바람직하게는 300~450℃의 범위에서 동작한다.
이하, 본 발명에 따른 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템을 이용한 정제 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템을 이용하여 정제 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
《집진 공정-S100》
먼저, 가스화기(1)에서 배출되어 열회수기(3)를 통해 열이 회수된 후 열회수기(3)로부터 배출되는 300℃ 이상의 합성가스를 집진기(110)에서 공급받아 합성가스에 포함된 분진을 제거하여 배출한다. 이때, 분진은 집진기(110) 하단을 통해 외부로 배출된다.
《1차 탈황/탈염 공정-S110》
그리고, 집진기(110)에서 배출되는 합성가스를 고정층 단일반응기(120)의 하단으로 공급하고, 고정층 단일반응기(120) 내부에 적재된 탈황제와 탈염제를 통과시켜 황화합물과 염소화합물을 제거하여 배출시킨다.
《배출 공정-S120》
한편, 고정층 단일반응기(120)에 적재된 탈황제와 탈염제를 배출 수단(130)을 통해 일부를 배출시킨다. 이때, 배출 수단(130)은 기설정된 시간에 따라 일정 시간동안 탈황제와 탈염제를 배출시킨다.
《분리 공정-S130》
그리고, 배출 수단(130)을 통해 배출된 탈황제와 탈염제가 분리 수단(140)으로 투입되어 입자에 의해 탈황제와 탈염제가 상호 분리된다. 즉, 입자가 작은 탈염제는 하단으로 배출되어 폐기되고, 입자가 큰 탈황제만이 선별되어 배출된다.
《이동 공정-S140》
계속해서, 분리 수단(140)을 통해 분리된 탈황제를 이동 수단(150)을 통해 재생 수단(160)으로 투입된다.
《재생 공정-S150》
이어서, 재생 수단(160)으로 투입된 탈황제가 재생되면, 재생된 탈황제를 고정층 단일반응기(120)로 재투입시킨다.
《2차 탈황/탈염 공정-S160》
한편서, 고정층 단일반응기(120)에서 배출되는 합성가스를 1차 반응기(180)에서 공급받아 내부에 탈황제와 탈염제를 분사하여 황화합물과 염소화합물을 제거하여 배출한다. 이때, 탈염제와 탈황제는 1차 반응기(180)를 통해 외부로 배출된다.
《타르 및 암모니아 제거 공정-S170》
계속해서, 1차 반응기(180)에서 배출되는 합성가스를 2차 반응기(190)에서 공급받아 촉매를 통과시켜 타르 및 암모니아를 제거하여 배출한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 가스화기 3 : 열회수기
110 : 집진기 120 : 고정층 단일반응기
130 : 배출 수단 140 : 분리 수단
150 : 이동 수단 160 : 재생 수단
170 : 탈염제 공급조 180 : 1차 반응기
190 : 2차 반응기

Claims (9)

  1. 가스화기에서 배출되어 열회수기를 통해 열이 회수된 후 상기 열회수기로부터 배출되는 300℃ 이상의 합성가스를 공급받아 합성가스에 포함된 분진을 제거하여 배출하는 집진기와;
    상기 집진기에서 배출되는 합성가스를 공급받아 합성가스를 내부에 적재된 탈황제와 탈염제를 통과시켜 황화합물과 염소화합물을 제거하여 배출하는 고정층 단일반응기와;
    상기 고정층 단일반응기의 하단에 설치되어 탈황제와 탈염제 일부를 외부로 배출시키는 배출 수단과;
    상기 배출 수단에서 배출된 탈황제와 탈염제를 분리시키는 분리 수단과;
    상기 분리 수단을 통해 분리된 탈황제를 이동시키는 이동 수단과;
    상기 이동 수단을 통해 투입되는 탈황제를 재생하여 상기 고정층 단일반응기로 재투입하는 재생 수단과;
    상기 고정층 단일반응기에서 배출되는 합성가스를 공급받고, 내부로 탈황제와 탈염제를 분사하여 황화합물과 염소화합물을 제거하여 배출하고 추가 집진을 달성하는 1차 반응기; 및
    상기 1차 반응기에서 배출되는 합성가스를 공급받아 촉매 또는 흡착제를 통과시켜 타르 및 암모니아를 동시 제거하여 배출하는 2차 반응기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템은,
    신규 탈염제가 저장되고, 상기 고정층 단일반응기 내부로 배출량 만큼의 신규 탈염제를 공급하는 탈염제 공급조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층 단일반응기는,
    하단으로 탈황제와 탈염제를 용이하게 배출하도록 하단에 양단에 경사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정층 단일반응기는,
    내부에 탈황제와 탈염제가 반응기내 혼합되어 적재되는 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배출 수단은,
    상기 고정층 단일반응기의 하단에 설치되어 서로 다른 입경을 가지는 탈황제와 탈염제를 회전 또는 진동 또는 개폐에 의해 일정량 배출하는 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 수단은,
    입자가 상대적으로 큰 탈황제와 입자가 상대적으로 작은 탈염제를 선별 배출하는 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 반응기는,
    상기 고정층 탈황 반응기에서 발생되는 미세분진의 추가 집진이 가능한 백필터 타입인 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 반응기는,
    촉매 필터 타입 또는 고정층 타입인 것을 특징으로 하는 고정층 단일반응기를 이용한 합성가스 내 탈황 탈염 동시 제거가 가능한 고온 정제 시스템.
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