KR101802552B1 - 고체 연료 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 결합제, 형태 유지제 및 식물유 함유 물질을 밸런스 좋게 사용하여, 안정된 발열량을 가지며 이산화탄소의 발생 억제를 하는 고체 연료를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 해결 수단은, 결합제, 형태 유지제 및 식물유 함유 물질의 혼합물로 이루어지고, 상기 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, 상기 결합제는 1∼85 중량부이며 형태 유지제는 1∼55 중량부이고, 상기 식물유 함유 물질은 10∼85 중량부이며, 또한 상기 혼합물이 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 연료이다.

Description

고체 연료{SOLID FUEL}

본 발명은 고체 연료에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 결합제, 형태 유지제 및 식물유 함유 물질을 유효하게 이용한 고체 연료에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 식물유 함유 물질을 사용하면서 천연물 유래의 결합제 및 형태 유지제를 효과적으로 이용하여, 연소 후 유해한 가스나 잔사가 가급적 적고, 발열량이 크며 더구나 이산화탄소 발생 억제로 이어지는 고체 연료, 특히 발전용 연료에 알맞은 고체 연료에 관한 것이다.

세계적인 환경 문제의 하나이기도 한 지구 온난화의 원인으로 공기 중에 존재하는 이산화탄소량의 증가를 들 수 있다. 최근, 이산화탄소의 발생 억제를 행하고자 세계 규모로 여러가지 방법에 의해 몰두하고 있다. 그 방법 중 하나에 석탄이나 가솔린이라고 하는 연료의 화석 연료 대체로서, 바이오 연료를 만들어, 자동차나 발전 보일러에의 이용이 추진되고 있지만, 바이오 연료의 원료로서 이용되고 있는 옥수수 등의 음식물을 사용함으로써, 생태계 및 경제 밸런스가 무너지고 있어, 최선의 방법이라고는 할 수 없다. 이와 같이 종래, 인간이 살아가는 데 있어서 불가결한 밸런스인 의, 식, 주에의 영향을 최소한으로 억제하도록, 또한 동시에 지구 환경도 고려해 나갈 필요가 있지만, 매우 곤란한 문제이기 때문에, 여러가지 연구가 이루어지고는 있지만, 아직, 해결되고 있지 않다. 그래서, 플라스틱을 이용한 고형 연료가 발전용 보일러에서, 석유나 석탄의 대체로서 이용되고 있지만, 이산화탄소의 발생 억제 효과는, 아직 충분하다고는 할 수 없다.

한편, 목재 쓰레기, 종이 쓰레기나 폐플라스틱을 사용하여, 고체 연료로서 이용하는 것이 특허문헌 1∼3에 제안되어 있다.

특허문헌 1에는, 휴지와 폐플라스틱을 이용한 고형 연료가 제안되어 있다. 이 고형 연료는, 현실에는 휴지 100 중량부에 대하여 폐플라스틱 25∼100 중량부의 조성이며, 폐플라스틱이 비교적 다량(전체로서 20∼50 중량％) 사용되고 있다. 이 특허문헌 1에는, 목질계 폐재를 더 배합하여도 좋은 것이 기재되어 있지만, 실시예에 있어서 배합되고 있는 목질계 폐재의 비율은, 전체 조성당 기껏 10 중량％ 정도이다. 상기 고형 연료는, 폐플라스틱의 배합 비율이 비교적 많고, 그 때문에 폴리염화비닐의 혼입에 의한 연소 시의 병해를 적게 하기 위해, 얻어진 고형 연료를 열처리하여 탈염소한다고 하는 조작을 필요로 한다.

특허문헌 2에는, 플라스틱, 목재 분말, 수피, 휴지 등을 가압 결합시켜, 펠릿형으로 성형한 고체 연료가 제안되어 있다. 이 고체 연료 중의 플라스틱의 양은 10∼80％로 기재되어 있지만, 도 2∼도 4로부터 판단하면 플라스틱의 양은 30％ 이상, 바람직하게는 50％ 이상으로 추찰된다.

또한 특허문헌 3에는, 목질계 폐기물 100 중량부에 대하여 합성 수지계 폐기물 5∼10 중량부를 혼련하여 펠릿화하여 연료를 얻는 방법이 제안되어 있다. 이 방법으로 얻어진 펠릿은 직경이 약 6 ㎜∼12 ㎜로 작고, 또한 발열량도 충분하다고는 할 수 없으며, 또한 형태 유지 안정성도 불충분하여 화력 발전용의 고체 연료로서는 부적당한 것이다.

한편, 최근의 지구 규모에서의 온난화 현상이 원인이라고 생각되는 대규모 재해의 빈발에 따라, 온실 효과 가스의 하나인 이산화탄소의 발생 억제를 각국에서 행하고 있지만, 아직 충분하다고는 할 수 없다. 그래서, 여러가지 폐기물을 이용한 고체 연료가 발전용 보일러에서, 석유나 석탄의 대체로서 이용되고 있지만, 이산화탄소의 발생 억제 효과는, 아직 충분하다고는 할 수 없다.

즉, 상기 특허문헌 1∼3에 의해 제안되어 있는 고체 연료는, 모두 플라스틱을 결합제 및 연료원으로서 사용하고 있기 때문에, 플라스틱은 그 자체 석유를 원료로 하고 있는 것으로부터 생각하면, 이들 고체 연료의 이산화탄소의 발생 억제 효과는 불충분하다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성7-82581호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 소화57-57796호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 소화62-43490호 공보

그래서 발명자는, 석유 유래의 플라스틱을 사용하지 않고 이산화탄소의 발생 억제가 될 수 있는 에너지원으로서 사용할 수 있는 고체 연료의 개발을 위해 예의 연구를 진행시켰다. 그 결과, 종래 사용하고 있던, 폐목재, 휴지, 플라스틱 대신에, 천연 자원인 식물유 함유 물질을 사용하고, 또한 천연물 유래의 결합제, 형태 유지제를 일정 비율 혼합하여 성형하면 일정 형상의 크기의 고체 형상으로 성형할 수 있으며, 더구나 고체로서의 형태 유지성이 우수하고, 연료로서 발열량도 크며 또한 유해 가스나 유해 잔사의 발생도 적고, 모든 소재가 천연의 식물 유래의 성분이기 때문에, 이산화탄소의 발생 억제에 크게 작용하며, 발전용의 고체 연료로서 유효한 것이 판명되었다. 이렇게 하여 본 발명에 따르면, 종래 사용되고 있던 플라스틱을 사용하지 않고, 모든 소재를 식물 유래의 성분으로 함으로써 클린 에너지원으로서의 발전용에 사용할 수 있는 고체 연료를 제공하는 것이 가능해졌다.

본 발명에 따르면, 하기의 고체 연료가 제공된다.

(1) 결합제(A 성분), 형태 유지제(B 성분) 및 식물유 함유 물질(C 성분)로 이루어지는 혼합물로 형성되고, 상기 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, A 성분은 1∼85 중량부이며, B 성분은 1∼55 중량부이고, C 성분은 10∼85 중량부이며, 또한 상기 혼합물은 압축 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 연료.

(2) 상기 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, A 성분 및 B 성분의 합계량은 15∼90 중량부인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(3) 상기 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, C 성분은 10∼80 중량부인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(4) A 성분:B 성분의 비율은 중량으로 1:25∼85:1인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(5) 상기 결합제(A 성분)가, 해조 유래의 전분인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(6) 상기 형태 유지제(B 성분)가, 천연 고무인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(7) 식물유 함유 물질(C 성분)이 아주까리, 자트로파 커카스(Jatropha curcas)의 과실의 종자 또는 그 분쇄물인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(8) 1개당의 크기가 평균으로 10∼100/㎤인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(9) 각주형 및 원통형의 형상을 갖는 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(10) 겉보기 비중이 0.3∼0.6 g/㎤인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(11) 발열량이 20∼30 MJ/Kg인 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

(12) 화력 발전용으로서 사용하기 위한 상기 (1)에 기재된 고체 연료.

본 발명의 고체 연료는, 결합제, 형태 유지제 및 식물유 함유 물질을 밸런스 좋게 이용하여, 새로운 에너지원, 특히 발전용 에너지원으로서 유효하게 활용할 수 있는 것이다. 본 발명의 고체 연료는, 유해한 가스나 유해한 잔사의 발생이 적고, 발열량이 크며, 또한 이산화탄소의 발생 억제로 이어지는 새로운 타입의 고체 연료가 될 수 있는 것이다.

특히 본 발명의 고체 연료에 있어서는, 결합제, 형태 유지제가 상호 바인더로서, 또한, 식물유 함유 물질이 열량의 확보로서 유효하게 기능하여, 고체 연료로서 성형하는 것이 가능해졌다. 본 발명의 고체 연료는, 석유 유래의 플라스틱을 사용하지 않고, 식물 유래의 결합제, 형태 유지제 및 식물유 함유 물질을 사용하기 때문에, 이산화탄소 발생 억제 효과가 각별히 우수하다.

본 발명의 고체 연료는, 결합제, 형태 유지제 및 식물유 함유 물질의 혼합물을 성형하여 얻어진 고체물이며, 이하 각각의 원료 조성비, 성형 방법에 대해서 설명한다.

(a) 결합제

결합제에는, 알긴산을 포함하는 해조로부터 채취된 전분으로, 아가로스, 카라기난, 커드란 또는 글루코만난이 있으며, 이들 중 적어도 1종의 것으로 건조된 것, 혹은 형태 유지제 중 어느 하나와 조합한 것이면 좋다. 결합제는, 재단 혹은 절단함으로써 1∼5 ㎜의 크기로 한다. 여기서 말하는 크기란, 개구 50 ㎜ 이하의 체를 통과하는 것을 의미한다. 또한, 이들이 분말형의 것이어도 좋다.

(b) 형태 유지제

형태 유지제로서는 천연 고무 혹은 천연 고무 함유물이 사용된다. 예컨대 구아검, 타라검, 로카스트빈검, 타마린드씨드검, 사일리움씨드검, 아라비아검, 젤란검, 커드란, 펙틴, 셀룰로오스, 키틴, 키토산, 잔탄검, 카라야검, 아라비노갈락탄, 가티검, 트래거캔스검, 퍼셀레란, 풀루란, 아에로모나스검(aeromonas gum), 아그로박테리움 숙시노글리칸, 아조토박터 비넬란디검, 아마씨드검, 아몬드검, 웰란검, 에르비니아 미츠엔시스검(erwinia mitsuensis gum), 엘레미 수지, 엔테로박터검, 엔테로박터 시마누스검(enterobacter simanus gum), 올리고글루코사민, 카시아검, 캐롭빈검, 글루코사민, 쑥 씨드검(artemisia sphaerocephala seed gum), 스클레로검, 세스바니아검, 덱스트란, 트리아칸소스검(triacanthos gum), 닥풀(abelmoschus manihot), 매크로호몹시스검, 람산검, 레반, 다루만(daruman) 수지, 복숭아 나무 수지, 타마린드가 있고, 이들 중 적어도 1종의 것으로 건조된 것, 혹은 결합제 중 어느 하나와 조합한 것이면 좋다.

이들 중 바람직한 것은, 구아검, 타라검, 로카스트빈검, 타마린드씨드검, 사일리움씨드검, 젤란검, 커드란, 잔탄검, 아라비아검, 펙틴, 셀룰로오스, 키틴, 키토산, 잔탄검, 카라야검, 캐롭빈검이며, 가장 바람직한 것은, 구아검, 타라검, 로카스트빈검, 타마린드씨드검, 사일리움씨드검, 젤란검, 커드란, 잔탄검이다.

형태 유지제는, 재단 혹은 절단함으로써 1 ~ 5 ㎜의 크기로 한다. 여기서 말하는 크기란, 개구 50 ㎜ 이하의 체를 통과하는 것을 의미한다. 또한, 이들이 분말형의 것이어도 좋다.

(c) 식물유 함유 물질

식물유 함유 물질로서는, 오구 나무, 코르크참나무, 기장, 쌀, 식품 탄화물, 아마, 황마, 저마, 양마, 어저귀, 로젤, 파초, 골풀, 시치토우이(Cyperus monophyllus Vahl), 오크라, 뽕나무, 바나나, 파인애플, 아가베 데킬라나(Agave Tequilana), 사라고, 등나무, 참피 나무, 대나무, 갈대, 에스파르토, 사바이초, 월도, 원추리, 라란초, 모로치초, 파피루스, 용수초, 칡, 삼지닥나무, 청단, 캐슈넛, 오트, 루피너스, 금잔화, 커피, 헤즐넛, 등대풀, 호박, 코리앤더, 머스터드씨드, 잇꽃, 카카오, 유채꽃, 평지, 마카다미아넛, 견과, 아주까리, 자트로파 커카스(Jatropha curcas), 야자, 사탕수수, 수수, 감자, 보리, 벼, 올리브, 해바라기, 대두, 홍화, 땅콩, 버드나무, 포플러, 스위치그라스, 엘리펀트그라스, 이모노끼, 패왕수, 목재, 사탕무, 공자나무, 면, 코파이바, 폰가미아 피나타(Pongamia pinnata), 호호바, 청산호, 옥수수, 고구마, 모자반, 참깨, 카르둔, 아보카도, 쿠사비노끼, 키누아, 니제르, 마 및 오동 나무가 사용되고, 바람직하게는 오구 나무, 아주까리, 자트로파 커카스, 야자, 사탕수수, 옥수수 및 이들의 가공 잔사가 있으며, 상기 고체 연료를 발전용의 설비에서 연료로서 연소시킬 때의 열원으로서 사용된다. 여기서 말하는 가공 잔사란, 오구 나무, 코르크참나무, 기장, 쌀, 식품 탄화물, 아마, 황마, 저마, 양마, 어저귀, 로젤, 파초, 골풀, 시치토우이, 오크라, 뽕나무, 바나나, 파인애플, 아가베 데킬라나, 사라고, 등나무, 참피 나무, 대나무, 갈대, 에스파르토, 사바이초, 월도, 원추리, 라란초, 모로치초, 파피루스, 용수초, 칡, 삼지닥나무, 청단, 캐슈넛, 오트, 루피너스, 금잔화, 커피, 헤즐넛, 등대풀, 호박, 코리앤더, 머스터드씨드, 잇꽃, 카카오, 유채꽃, 평지, 마카다미아넛, 견과, 아주까리, 자트로파 커카스, 야자, 사탕수수, 수수, 감자, 보리, 벼, 올리브, 해바라기, 대두, 홍화, 땅콩, 버드나무, 포플러, 스위치그라스, 엘리펀트그라스, 이모노끼, 패왕수, 목재, 사탕무, 공자나무, 면, 코파이바, 폰가미아 피나타, 호호바, 청산호, 옥수수, 고구마, 모자반, 참깨, 카르둔, 아보카도, 쿠사비노끼, 키누아, 니제르, 마 및 오동 나무의 과실, 종자로부터 오일을 짜낸 후의 찌꺼기를 의미하고, 오구 나무, 아주까리, 자트로파 커카스, 야자, 사탕수수, 옥수수의 과실의 종자 혹은 그 분쇄물이 적합하다. 이들 중 오구 나무, 아주까리, 자트로파 커카스의 과실의 종자 또는 그 분쇄물이 특히 바람직하다. 이들 식물유 함유 물질은 재단 혹은 절단함으로써 1∼50 ㎜의 크기로 한다. 여기서 말하는 크기란, 개구 50 ㎜ 이하의 체를 통과하는 것을 의미하며, 주로 종자부를 사용하지만 가지나 줄기가 일부 혼합되어 있어도 좋다.

(d) 조성비

전체 성분의 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, A 성분은 1∼85 중량부이며, B 성분은 1∼55 중량부이고, C 성분은 10∼85 중량부이다. 또한 A 성분 및 B 성분의 합계량은 15∼90 중량부, 바람직하게는 20∼85 중량부인 것이 바람직하고, C 성분은 바람직하게는 15∼80 중량부이다.

또한 A 성분:B 성분의 비율은 중량으로 1:25∼85:1, 바람직하게는 1:29∼80:1인 것이 바람직하다.

본 발명의 고체 연료는 이러한 범위로 함으로써, 상대적으로 적은 결합제, 형태 유지제 및 식물유 함유 물질의 사용에 의해 고체화할 수 있기 때문에 발열량이 안정된 것이 된다. 또한 결합제와 형태 유지제의 합계 중량 15∼90 중량부에 대하여 식물유 함유 물질 10∼85 중량부인 것이 바람직하다. 이것은, 고체 연료에 요구되는 발열량에 따라, 비율은 변화한다.

(e) 성형 방법

상기한 결합제, 형태 유지제, 및 식물유 함유 물질을 상기 비율로 혼합한 것을 긴밀하게 분산되도록 가압·압축하는 것이 바람직하다.

특히 결합제와 식물유 함유 물질을 미리 혼합해 두고, 그 양자의 혼합물에 형태 유지제를 혼합하는 방법이 바람직하며, 혼합하는 기계로서는 일축 또는 이축의 압출기를 이용할 수 있다. 특히 이축의 스크류 압출기의 사용이 바람직하다. 압출기로부터 압축 압출된 조성물은, 구체적으로는 각주형 혹은 원형상의 노즐이 배출하며, 적당한 길이로 절단함으로써, 각주형 혹은 원통형의 형상을 한 성형물이 된다.

이때, 원형상의 노즐의 직경을 5∼50 ㎜, 절단 길이를 10∼100 ㎜로 함으로써, 고체 연료로서 바람직한 크기의 것으로 할 수 있다.

(f) 고체 연료의 특성

본 발명의 고체 연료는 상기한 성형 방법으로, 제조하는 것이 공업적으로 바람직하기 때문에, 형상은 원통형 내지 각주형이 바람직하지만, 특히 원통형이 유리하다. 또한 크기로서는, 1개당의 용적으로서 평균으로 10∼100 ㎤가 바람직하다. 또한 고체 연료의 겉보기 비중이 0.3∼0.6 g/㎤의 범위가 바람직하다.

고체 연료는 발열량이 안정되어 있고 그 발열량은 20∼30 Mj/㎏이다. 따라서 본 발명의 고체 연료는 결합제, 형태 유지제, 식물유 함유 물질을 밸런스 좋게 이용한 것이며, 또한 발열량도 높게 안정되어 있어 이산화탄소의 발생 억제 효과가 높기 때문에 화력 발전용의 연료로서 유리하게 사용된다.

실시예

이하 실시예를 나타내어 본 발명을 구체적으로 설명한다.

또한 이하의 실시예 중 사용한 결합제, 형태 유지제 및 열량 증강제는 하기의 것을 사용하였다.

(가) 결합제

결합제로서 건조시킨 카라기난을 파쇄한 것(크기 25 ㎜ 이하).

(나) 형태 유지제

형태 유지제로서 구아검을 분말형으로 한 것.

(다) 식물유 함유 물질

재배한 아주까리로부터 채취한 종자 및 그 잔사.

실시예 1

A 성분 48 중량부, C 성분 42 중량부의 혼합물에 B 성분 10 중량부를 혼합하고, 이축 스크류 압출기로 압출하여, 직경 약 35 ㎜의 원통형 고체 연료를 얻었다(길이 50 ㎜). 이 고체 연료의 겉보기 비중(부피 비중), 발열량, 염소 함유량 및 형태 유지 안정성 시험의 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 2

A 성분 15 중량부, C 성분 80 중량부의 혼합물에 B 성분 5 중량부를 혼합하고, 이축 스크류 압출기로 압출하여, 직경 약 35 ㎜의 원통형 고체 연료를 얻었다(길이 50 ㎜). 이 고체 연료의 겉보기 비중(부피 비중), 발열량, 염소 함유량 및 형태 유지 안정성 시험의 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 3

A 성분 1 중량부, C 성분 49 중량부의 혼합물에 B 성분 50 중량부를 혼합하고, 이축 스크류 압출기로 압출하여, 직경 약 35 ㎜의 원통형 고체 연료를 얻었다(길이 50 ㎜). 이 고체 연료의 겉보기 비중(부피 비중), 발열량, 염소 함유량 및 형태 유지 안정성 시험의 결과를 표 1에 나타내었다.

실시예 4

A 성분 80 중량부, C 성분 15 중량부의 혼합물에 B 성분 5 중량부를 혼합하고, 이축 스크류 압출기로 압출하여, 직경 약 35 ㎜의 원통형 고체 연료를 얻었다(길이 50 ㎜). 이 고체 연료의 겉보기 비중(부피 비중), 발열량, 염소 함유량 및 형태 유지 안정성 시험의 결과를 표 1에 나타내었다.

<고체 연료의 형태 유지 안정성의 시험>

상기 실시예 1∼4에서 얻어진 고체 연료의 각각에 대해서 형태 유지 안정성을 조사하였다. 이하 "쇄편화의 중량 비율"이란 고체 연료를 체로 쳐서, 크기가 약 10 ㎤ 이하인 쇄편의 총중량을 달아, 체로 치기 전의 고체 연료의 중량에 대한 그 쇄편의 비율을 산출한 것이다.

또한, 형태 유지 안정성은, 성형 후 500 ㎏의 고체 연료를 저장 시설로부터 운반 차량에, 리치 로우더를 사용하여 쌓는 작업을 2회 반복하였다.

평가 결과는 아래와 같았다.

실시예 1: 성형 상태는 양호하며, 저장 시설에의 반송 시에 있어서도 일정한 형태, 크기를 유지하고 있다(쇄편화의 중량 비율: 3％).

실시예 2: 성형 상태는 양호하며, 저장 시설에의 반송 시에 있어서도 일정한 형태, 크기를 유지하고 있다(쇄편화의 중량 비율: 5％).

실시예 3: 성형 상태는 양호하며, 저장 시설에의 반송 시에 있어서도 일정한 형태, 크기를 유지하고 있다(쇄편화의 중량 비율: 3％).

실시예 4: 성형 상태는 양호하며, 저장 시설에의 반송 시에 있어서도 일정한 형태, 크기를 유지하고 있다(쇄편화의 중량 비율: 2％).

(평가: 쇄편화의 중량 비율％)

0％∼5％: 좋음

6％∼10％: 보통

11％∼15％: 나쁨

Claims (12)

1. 해조 유래의 전분을 포함하는 결합제(A 성분), 천연 고무를 포함하는 형태 유지제(B 성분) 및 아주까리, 자트로파 커카스(Jatropha curcas)의 과실의 종자 또는 그 분쇄물을 포함하는 식물유 함유 물질(C 성분)로 이루어지는 혼합물로 형성되고, 상기 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, A 성분은 1∼85 중량부이며, B 성분은 1∼55 중량부이고, C 성분은 10∼85 중량부이며, 상기 혼합물은 압축 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 연료.
2. 제1항에 있어서, 상기 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, A 성분 및 B 성분의 합계량은 15∼90 중량부인 고체 연료.
3. 제1항에 있어서, 상기 혼합물을 100 중량부로 하였을 때, C 성분은 10∼80 중량부인 고체 연료.
4. 제1항에 있어서, A 성분:B 성분의 비율은 중량으로 1:25∼85:1인 고체 연료.
5. 제1항에 있어서, 1개당의 크기가 평균으로 10∼100 ㎤인 고체 연료.
6. 제1항에 있어서, 각주형 또는 원통형의 형상을 갖는 고체 연료.
7. 제1항에 있어서, 겉보기 비중이 0.3∼0.6 g/㎤인 고체 연료.
8. 제1항에 있어서, 발열량이 20∼30 MJ/Kg인 고체 연료.
9. 제1항에 있어서, 화력 발전용으로서 사용하기 위한 것인 고체 연료.
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