WO1990010178A1 - Gasreinigung in verbrennungsanlage mit flammen-leitzylinder und umlenkplatte - Google Patents

Gasreinigung in verbrennungsanlage mit flammen-leitzylinder und umlenkplatte Download PDF

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WO1990010178A1
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Zibgief Boguslawski
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Aquamot Ag
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/06—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for completing combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
    • F23M9/06—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in fire-boxes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
    • F23M2900/09062—Tube-shaped baffles confining the flame

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the reversible adsorption of soot particles from combustion gases according to the preamble of claim 1.
  • the problem with the combustion of fossil fuels is still inadequate thermal efficiency in the soot particle emission due to imperfect combustion, as well as in the interwall and on / off operation of the burner.
  • Another problem is the CO emission due to imperfect burnout in the case of atmospheric burners and over-dimensioned combustion chambers of the boilers, which promote streak formation in the flue gas stream, oil derivative deposition from the scattering area of the combustion flame, and the above-average NO Education because at the imperfect combustion in combustion boilers, which are usually too large, requires more combustion air than in an optimal combustion process. This increased 0 2 requirement leads to increased NO formation.
  • the object of the present invention is to provide a combustion aid for boilers to improve the combustion properties, the reduction of standstill, radiation, exhaust gas and conversion losses, and the combustion residue such as soot and CO due to the better combustion and ei ⁇ almost $ 100 burnout of the otherwise remaining combustion residues, so that the conversion losses of fuel / energy are greatly reduced while saving corresponding fuel.
  • this combustion aid is particularly suitable as a retrofit for existing combustion plants. This is also because the sulfur-resistant materials also withstand the combustion of sulfur-rich heating oil, support the oxidation of SO 2 to SO, and thus favor a reaction and recycling by possibly subsequent desulfurization devices.
  • FIG. 1 shows a flame cylinder in a perspective top view and on a reduced scale, - 4 -
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the flame cylinder according to FIG. 1,
  • Fig. 4 shows a longitudinal section of the flame guide cylinder in the boiler.
  • the flame guide cylinder 1 After the flame 5 has emerged from the burner mouth 6, it flows through the flame guide cylinder 1.
  • the oil derivatives otherwise deposited during flame scattering remain on the surface of the flame guide cylinder and the deflection device 7 and burn.
  • the upper half 2 of the flame guide cylinder 1 is 1/3 shorter than the lower half 3, the upper half 2 being provided with one to two air intake slots 4, 4 '. so that the burner flame 5 always has sufficient combustion air available.
  • the lower half-shell 3 has the length of the burner flame. In small fire systems, this length is 18 to 30 cm.
  • the deflection device 7 has a concave design, on the one hand, so that the flame tip striking it can be deflected well mechanically with the accompanying gas stream 8.
  • the umlen device 7 should be slightly wider on the right and left above and below than the diameter of the flame Guide cylinder 1.
  • the gas stream 8 directed to the convex side of the deflection device 7 is deflected such that it flows back in the direction of the burner mouth 6, is drawn there again into the flame guide cylinder 1 and mixes therein intimately with the flame stream, as a result of which the CO and the free-floating soot particles are still burned.
  • materials favors the mode of operation of the invention described above. They are highly porous ceramic materials, some of which are were fired at over 1500 C. They are preferably foam ceramics made of sealed or unsealed silicon carbide, as well as glass foam ceramics and open-pore sintered glass, both with a similar, open-pore structure. These materials have the advantage that combustion gases flow through them well without any appreciable pressure loss. Passing from pore to pore causes microturbulence, which on the one hand mixes the gas well and on the other hand holds the soot particles, which then burn freely as soon as the temperature in the boiler exceeds 500 ° - 550 ° C.
  • Foamed and / or pressed ceramic aser products, as well as on roughened, arched, non-scaling steel sheet have a similarly good effect.
  • the following example shows results obtained from tests.
  • the deflection device can be used as Ver ⁇ brennungs disguise. This is preferred for newer boilers with round, cylindrical combustion chambers. Since these already have the cylindrical shape of the flame guide cylinder described above on site, only the use of the deflection device is recommended here. It achieves similar performances as described above. However, the deflection device must have a distance of 3 cm from the wall of the combustion chamber in order to ensure that part of the gas flow is also recirculated To enable, which the deflection device made of porous, heat-resistant, gas-permeable foam ceramic, preferably made of SiC or glass foam ceramic. The deflection device, like the flame guide cylinder, stands on a small one

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren, sowie eine Vorrichtung, Abgase aus fossilbefeuerten Verbrennungsanlagen von ihrem CO- und C-Verunreinigungen zu befreien. Die Vorrichtung besteht aus zwei unterschiedlich langen Halbschalen (2, 3), die einen Flammen-Leitzylinder (1) bilden, sowie aus einer nach innen eingewölbte Umlenkvorrichtung (7). Der Flammen-Leitzylinder bündelt die Flamme (5) und leitet sie auf eine Umlenkvorrichtung, welche den die Flamme begleitenden Gasstrom (8) in einen Rezirkulationskreislauf führt. Die Ölderivate, die als unverbrannte Brennstoffreste normalerweise mit der Flammenstreuung in den Brennraum gesprüht werden, bleiben dadurch an der Innenwand des Flammen-Leitzylinders hängen, ebenso die freischwebenden Russteilchen. Dies als Folge einer unvollkommenen Verbrennung. Im Zylinder verbrennen diese aber nach und nach und erhöhen so das Umwandlungsergebnis.

Description

GASREINIGUNG IN VERBRENNÜNGSANLAGE MIT FLAMMEN-LEITZYLINDER UND UMLENKPLATTE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie eine Vorrichtung zur reversiblen Adsorption von Russpartikeln aus Verbrennungsgasen gemäss dem Oberbegriff des Pa¬ tentanspruchs 1. Die Problematik bei der Verbrennung fossiler Brenn¬ stoffe liegt nach wie vor im unzureichenden thermischen Wirkungsgrad, in der Russpartikel-Emission aufgrund einer unvollkommener Verbrennung, sowie im Interwall- und An/Ab-Betrieb des Brenners. Eine weitere Problema- "tik besteht in der CO-Emission aufgrund unvollkommen¬ en Ausbrands bei atmosphärischen Brennern und überdi¬ mensionierten Brennräumen der Kessel, die die Sträh¬ nenbildung im Rauchgasstrom, der Oelderivatablagerung aus dem Streubereich der Brennflamme begünstigen, sowie in der überdurchschnittlichen NO -Bildung, weil bei der unvollkommenen Verbrennung in meistens zu gross gewählten Heizungskesseln mehr Verbrennungsluft be¬ nötigt wird, als bei einem optimalen Brennvorgang. Die¬ ser erhöhte 02 Bedarf führt zu erhöhter NO -Bildung. Bis anhin hat man ohne nennenswerten Erfolg ver¬ sucht, durch Einsatz sogenannter Verbrennungshilfen in Heizkesseln, die oben erwähnten Probleme zu lösen. Man hat versucht, einfach eine Prallplatte vor den Brenner im Brennraum zu placieren, um eine bessere Verwitbelung im Brennraum zu erreichen und die CO- Bildung begünstigende Strähnenbildung im Gasstrom im Kessel zu vermeiden. Es sei die DE-P-11 12 243 erwähnt. Auch wurdo versucht, die Brennerflamme durch ein mit Stauscheiben versehenes Flammenrohr zu zie- hen, wobei die Zielsetzung einer Druckerhöhung in der Brennkammer und dadurch eine Optimierung der Energieumwandlung und Reduktion der Verbrennungs¬ rückstände fraglich erscheint gemäss DE-05-3 13 968. Gemäss der DE-05-26 12 051 wird versucht, dieses Problem zu lösen, indem mehrere Nachbrennerscheiben auf einem Halterahmen montiert werden. Diese sind un¬ terteilt in Nachbrennscheiben, die vom Gas durch¬ strömt werden und Winkelbrennscheiben, die die Form eines 5 Winkels aufweisen und die der Verwirbelung dienen sollen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Verbrennungshilfe für Kessel zur Ver¬ besserung der Verbrennungseigenschaften, der Redukti¬ on von Stillstands-, Abstrahl-, Abgas- und Umwand- lungsverlusten, sowie der Verbrennungsrückstand wie Russ und CO aufgrund der besseren Verbrennung und ei¬ nes fast 100 $igen Ausbrands der sonst verbleibenden Verbrennungsrückstände, sodass die Umwandlungsverluste von Brennstoff/Energie stark reduziert werden unter Einsparung von entsprechendem Brennstoff.
Aufgrund der einfachen Handhabung, der problem¬ losen Installation im Heizungskessel, eignet sich die¬ se Verbrennungshilfe besonders als Nachrüstung für bestehende Feuerungsanlagen. Dies auch, da die schwe- feibeständigen Materialien auch der Verbrennung schwefelreichen Heizöls standhalten, die Aufoxidation von S02 zu SO, unterstützen und damit eine Reaktion und eine Recyclierung durch eventuell nachgeschalte¬ te Entschwefelungsvorrichtungen begünstigen.
Die Vorteile der hier vorliegenden Erfindung kön¬ nen zum besseren Verständnis anhand der beiliegenden Zeichnungen entnommen werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Flammenzylinder in perspekti- vischer Draufsicht und in verklei¬ nertem Massstab gezeichnet, - 4 -
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Flam¬ menzylinder gemäss der Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt der Umlenk¬ vorrichtung,
Fig. 4 einen Längsschnitt des Flammen- Leitzylinders im Brennkessel.
Nach Austritt der Flamme 5 aus dem Brennermund 6 durchströmt diese den Flammen-Leitzylinder 1. Die sonst bei der Flammenstreuung abgelagerten Oelderivate bleiben auf der Oberfläche des Flammen-Leitzylinders und der Umlenkrorrichtung 7 hängen und verbrennen nach. Die obere Hälfte 2 des Flammen-Leitzylinders 1 ist um 1/3 kürzer als die untere Hälfte 3, wobei die obere Hälfte 2 mit ein-bis zwei Luftansaugschlitzen 4, 4' versehen ist,. damit die Brennerflamme 5 immer ausreichend Verbrennun sluft zur Verfügung hat. Die untere Halbschale 3 hat die Länge der Brennerflamme. Bei Kleinfeueranlagen beträgt diese Länge 18 bis 30 cm. Die Umlenkvorrichtung 7 besitzt einerseits eine konkave Ausbildung, damit die auf sie treffende Flam¬ menspitze mit begleitendem Gasstrom 8 strömungsme¬ chanisch gut umgelenkt werden kann. Die ümlen vor- richtung 7 sollte rechts und links oben und unten etwas breiter sein als der Durchmesser des Flammen- Leitzylinders 1.
Der auf die konvexe Seite der Umlenkvorrichtung 7 geleitete Gasstrom 8 wird so umgelenkt, dass er in Richtung Brennermund 6 zurückströmt, dort wieder mit in den Flammen-Leitzylinder 1 gesogen wird und sich da¬ rin innig mit dem Flammenstrom vermischt, wodurch das CO und die noch frei schwebenden Russpartikelchen nach¬ verbrannt werden.
Die Auswahl der Materialien begünstigt die oben beschriebene Wirkungsweise der Erfindung. Es sind hochporöse keramische Materialien, die z.T. bei über 1500 C gebrannt wurden. Es sind vorzugsweise Schaum¬ keramiken aus versiegeltem oder unversiegeltem Sili- ciumkarbid, wie auch Glasschaumkeramik und offenpo- riges Sinterglas, beide mit ähnlicher, offenporiger Struktur. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie ohne nennenswerten Druckverlust von Verbrennungs¬ gasen gut durchströmt werden. Durch das Passieren von Pore zu Pore finden Mikroturbulenzen statt, die einerseits das Gas gut durchmischen und andererseits die Russpartikelchen festhalten, die dann von selbst freibrennen, sobald die Temperatur im Kessel 500° - 550° C übersteigt.
Aehnlich gute Wirkung zeigen geschäumte und/oder gepresste Keramik aserprodukte, sowie auf erauhtes, mit Wölbungen versehenes, nicht zunderndes Stahlblech. Das nachfolgende Beispiel zeigt Ergebnisse, die bei Tests erzielt wurden.
ohne Flammen-Leitzylinder Mit Flammen-Leitzy¬ mit Umlenkvorrichtung linder und Umlenkvor¬ richtung
C0 904 ppm 0.0 ppm
Russpartikel 2 auf der Skala 0.0 auf der Skala
Thermische Effizienz ausgedrückt in C02 Q η ei
12,7 #
02-Bedarf 9,1 4,2 % N0„ 80 mg/cbm 48 mg/cbm
Dieses Resultat kann als typisches für ältere ölbefeuerte Zentralheizungskessel mit rechteckigem Brennraum angesehen werden.
In einer besonderen Ausführungsart kann als Ver¬ brennungshilfe nur die Umlenkvorrichtung zum Einsatz kommen. Dies vorzugsweise bei neueren Kesseln mit runden, zylindrischen Brennräumen. Da diese in etwa schon die zylindrische Form des vorhinbeschriebenen Flammen-Leitzylinder bauseitig haben, so empfiehlt sich hier nur der Einsatz der Umlenkvorrichtung. Mit ihr werden ähnliche Leistungen erzielt, wie oben beschrieben. Die Umlenkvorrichtung muss jedoch je¬ weils 3 cm Abstand zur Wand des Brennraumes haben, um eine Rezirkulation auch des Teils des Gasstroms zu zu ermöglichen, welcher die Umlenkvorrichtung aus of enporiger, hitzebeständiger, gasdurchlässiger Schaumkeramik, vorzugsweise aus SiC oder Glasschaum¬ keramik zu ermöglichen. Die Umlenkvorrichtung steht, wie auch der Flammen-Leitzylinder auf einem kleinen
Podest aus feuerfester Keramik. Fallweise empfiehlt sich auch die Verwendung eines Abstandhalters in Form ei¬ ner kleinen Keramikleiste zwischen Umlenkvorrichtung und Brennraumrückwand.
Mit vorliegender Erfindung ist es möglich, die Forderungen der Schweizer LRV und der deutschen BImSch für Kleinfeuerungsanlagen und TA Luft zu erfüllen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren und Vorrichtung zur reversiblen Ad¬ sorption von Russpartikeln aus Verbrennungsgasen in mit festen, flüssigen und/oder gasförmigen fossilen Brennstoffen befeuerten Kesseln, vorzugsweise Klein- feuerungsanlagen unter 100 KW, mittels einer den Gas¬ strom rezirkulierenden und damit einer Nachverbren- nun zuzuführenden Umlenkvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Brennermund und der Umlenkvorrich- tung ein speziell geformter, mit Luftansaugschlitzen versehener Zylinder aus Glasschaumkeramik, Schaumke¬ ramik, geschäumten und/oder gepresster Keramikfasern, offenporigem Sinterglas oder mit auf erauhter Ober¬ fläche versehenem, hitzebeständiges Stahlblech an- gebracht ist, welcher die Brennerflamme unter Ver¬ meidung einer Streuung und Oelderivatablagerung auf die Umlenkvorrichtung zuführt, und diese dann sowohl als Adsorbens für Russpartikel mit Freibrenneffekt wirkt, als auch den Gasstrom umlenkt, wodurch eine Rezirkulation zum Brennermund hin stattfindet und, bei Mischung des rezirkulierten Gasstroms mit der Brennerflamme, ein besserer Ausbrand von C0, sowie eine Nachverbrennung freischwebender Russpartikel im Gasstrom stattfindet , damit eine bessere Brennstoff- Verwertung mit erhöhtem thermischen Wirkungsgrad erreicht wird.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammen-Leitzylinder aus zwei Halbschalen besteht, bei Kleinfeuerungsanlagen mit einem Durch¬ messer von 18 - 30 cm, von denen die obere Halbschale 1/3 kürzer ist als die untere und mit einem oder meh¬ reren fast die ganze Oberfläche ausnutzenden Luftein¬ trittsschlitzen versehen ist, wobei die Länge der un- teren Halbschale der Länge der Brennerflamme ent¬ spricht.
3. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung gegen ihre Mitte konkav ausgebildet ist, um durch diese Formgebung die auf sie geführte Brennerflamme zur Umlenkung und zur Rezirku- lation in Richtung Brennermund zu leiten, wobei sie rechteckig ist und nach beiden Seiten hin je 5 cm breiter sein soll als der Flammen-Leitzylinder und nach oben und unten hin soll sie je 3 cm grösser sein als der Flammen-Leitzylinder.
4. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige oder aufgerauhte Umlenkvorrichtung aus Schaumkeraraik, vorzugsweise aus SiC und/oder Glasschaumkeramik mit einer Porosität von 15 - 40 ppi oder geschäumter und gepresster Keramikfaser oder aufgerauhtem Stahlblech besteht.
5. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung, die meistens bei dem An¬ fahren des Brenners und dem Intervallbetrieb ent- stehenden Russpartikel aus unverbranntem, unvoll¬ kommen verbranntem, fossilen Brennstoff adsorbiert, temporär festhält und diese Russpartikel bei Erreichen der Freibrenntemperatur über 550 C zur Nachverbren¬ nung bringt.
6. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Umlenkvorrichtung, besonders ihre konkave Einbuchtung zum Mittelpunkt hin, das Ende der Brennerflamme und den sie begleitenden Gasstrom zur Umlenkung in Richtung Brennerraum und Brennermund bringen, wo der rezirkulierte Gasstrom mit in die am Brennermund einsetzende Flamme gesogen wird und so besonders das CO im rezirkulierten Gasstrom und die noch freischwebenden Russpartikel unter Bildung von C02 nachverbrannt werden.
7. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverbrennung von CO und C dadurch beson- ders gut erreicht wird, indem der rezierkulierte Gas¬ strom in den Flammen-Leitzylinder gesogen und dort mit der Brennerflamme innig vermischt wird, wodurch ein fast 100 >iger CO- und Russpartikelausbrand er¬ zielt wird.
8. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination eines Flammen-Leitzylinders, wel¬ cher die Flamme auf eine Umlenkvorrichtung hinleitet, zusammen mit einer die Gasrezirkulation bewirkenden
Umlenkvorrichtung, besonders bei älteren, rechteckigen und/oder überdimensionierten Brennräumen und Kesseln, eine Verkleinerung des Bronnraumes auf eine, auf die tatsächlich benötigte Brennleistung dimensionierte, optimale Grosse bewirkt und damit zu einem geringeren Brennstoffverbrauch führt, wobei dieser z.B. durch Auswechseln der Brennstoffdüse bei einem Heizölbren- ner durch die nächste kleinere Düse kostengünstig re¬ alisiert wird.
9. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung ein direktes Austreten der noch zu heissen Verbrennungsgase in den Kamin ver¬ hindert, weil die Gase zuerst einmal in Richtung Brennermund rezirkuliert und dann gründliche ausge- brannt, resp. nachverbrannt werden, wobei gleichzeitig das CO und die Russpartikel, die sonst noch im Kamin nachverbrennen und zur Temperaturerhöhung führen, be¬ reits im Flammen-Leitzylinder fast total nachverbren¬ nen, was eine Temperatursenkung beim Gasaustritt des Kessels bewirkt, was erwünscht wird, da die thermische Effizienz der Kessel und Kleinfeuerungsanlagen vom Gesetzgeber in einem Verhältnis hoher C02-Werte und niedriger Rauchgastemperatur vorgegeben wird.
10. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stabili- sation der Verbrennung und der Flamraenführung erreicht wird, die mit normaler Einstellung des Brenners nicht erzielbar ist.
11, Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einbau dieser Brennerhilfe aufgrund des besseren Ausbrands, weniger Verbrennungsluft benötigt wird, was zu einer geringeren Stickoxidbildung führt. 12, Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, in neueren oder zylindrischen Brennräumen nur die Um- lenkvorrichtung zum Einsatz kommt, wβbei der Abstand von der Kante der Umlenkvorrichtung zur Wandung des runden Brennraumes 3 cm betragen woll, wobei die oben erwähnten Resultate der Nachverbrennung von Russpar¬ tikel zu C02 unter Umgehung von CO, Oxidation von CO zu C0„ zu erhöhten C02-Werten führt bei niedrigeren Abgastemperaturen, was auch zu geringeren NO -Werten führt.
PCT/CH1990/000048 1989-02-28 1990-02-27 Gasreinigung in verbrennungsanlage mit flammen-leitzylinder und umlenkplatte WO1990010178A1 (de)

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