一．膜法富氧燃烧技术简介
富氧是应用物理或化学方法将空气中的氧气进行收集，使收集后气体中的富氧含量
≥21%。
现有的富氧方式主要有：
(1)增压增氧方式
增压增氧主要用在飞机上,通过增加机舱内的压力,使空气密度增加,由于空气中含氧量的比例是一定的(氧在空气中的体积比为20 95%),空气密度增加后,空气中氧的绝对质量也增加,从而达到增加氧的目的。
(2)制氧机制氧方式
制氧机制氧广泛用在各个领域,制氧机有3大类:第一是利用空气为原料,通过物理的方法,把氧气从空气里分离出来。在1个大气压下,液态氧的沸点是-183℃,而液态氮的沸点是-196℃,当控制液态空气的沸点在-183℃以下高于-196℃时,液态氮首先蒸发,留下来的是液态氧,这种方法可制得纯度很高的氧气,再用很大的压力(一般150个大气压)压入钢瓶贮存起来,供工厂、医院使用,贮存在钢瓶的氧气还可向氧气袋充氧,供个人或旅行者使用。平时我们所见的氧气瓶供氧、氧气袋供氧都是使用这种方法制出的氧气。第二种是常压(或叫低压)制氧方法,所需压缩空气的压力在1ＭＰａ以内,这是近十几年发展起来的制氧方法,也叫膜制氧方法。膜制氧方法的原理可参见文献。第三种是ＰＳＡ分子筛制氧方法,ＰＳＡ分子筛制氧是使用一种变压吸附制氧设备,这种设备主要由空气净化系统,ＰＳＡ氧氮分离系统,氧气缓冲、检测系统等组成。
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(3)化学制氧方式
化学制氧是利用含氧化合物为原料,通过与催化剂的反应,制出氧气。使用的含氧化合物必须具备两个条件:一是这种含氧化合物是较不稳定的,在加热时容易分解放出氧气;二是这种含氧化合物里含氧的百分比是比较高的,能分解放出较多的氧气。一般用氯酸钾(分子式是ＫＣｌＯ3),它含氧的百分比达40%,在氯酸钾里加入少量黑色的二氧化锰(ＭｎＯ2)粉末,氯酸钾会迅速分解,有多量的氧气放出。氯酸钾分解放出的氧气常用“排水集气法”收集,供试验、呼吸等使用。氧立得就是利用这种原理制氧的。 二．富氧燃烧
用比通常空气（含氧21%）含氧浓度高的富氧空气进行燃烧，称为富氧燃烧。它是一项高效节能的燃烧技术，在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域均有应用 与用普通空气燃烧有以下优点： 1.高火焰温度和黑度
2.加快燃烧速度，促进燃烧安全。 3.降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间。 4.降低过量空气系数，减少燃烧后的烟气量。 富氧燃烧: oxygen enriched combustion 变压吸附制氧设备在富氧助燃特点: ①节能效果显著
应用于各个燃烧领域均能大幅提高燃烧热效率，如在玻璃行业中平均节油（气）为20%-40%，在工业锅炉、加热炉、炼铁断和水泥厂机立窑等应用节能量为20%-50%，显著提高热能使用效率。
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②有效延长炉龄
燃烧环境的优化使得炉内温度分布更加合理，有效延长窑炉、锅炉的使用寿命。 ③有利于提高产品产量、质量
在玻璃行业燃烧状况的改善使得熔化率提高、升温时间缩短、产量提高；次品率降低、成品率提高。 ④环保效果突出
烟气中携带的固体未燃尽物充分燃烧，排烟黑度降低，燃烧分解和形成的可燃有害气体充分燃烧，减少有害气体的产生。排烟量明显降低，减少热污染。
三．膜法制氧系统
膜分离空分技术是八十年代国外新兴的高科技技术，属高分子材料科学，工业发达国家称膜法富氧技术为资源性的创造性技术，它是第三代最具发展应用前景的气体分离技术。 许多发达国家都投入了大量人力物力来研究膜法富氧技术，日本曾在以气、油、煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验,
得出如下结论:
用23％的富氧助燃可节能10-25％;
用25%的富氧助燃可节能20-40％;
用27%的富氧助燃则节能高达30-50％等。
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气体膜分离原理
膜分离制氧设备是利用具有特殊选择分离性的高分子聚合纤维材料作为分离元件，在一定驱动力作用下，使双元或多元组份因透过膜的速率不同而达到分离或特定组份富集的目的。
当混合气体在一定的驱动力（膜两侧的压力差或压力比）作用下，渗透速率相当快的气体如水汽、氧气、氢气、氦气、硫化氢、二氧化碳等透过膜后，在膜的渗透侧被富集，而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等被滞留在膜的滞留侧被富集从而达到混合气体分离的目的。
膜法制氧性能指标：
富氧浓度：27-30%制氧规模：10-15000 m3/h设备能耗：0.1-0.15 kw/h /立方
设备组成：
1、离心风机
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2、过滤系统
3、真空泵
4、膜分离系统
5、汽水分离系统
6、控制系统
7、 稳压系统
膜法制氧、富氧助燃节能装置型号规格
占型号 规格 MZYR-25 MZYR-45 MZYR-70
富氧量 m3/h 总配电kw 配锅炉t/h 地面积m2 30 60 90 3.1 5.1 9 1 2 4 4 4 4 MZYR-400 MZYR-450 MZYR-550 400±40 450±40 550±40 56 56 66 30 35 40 型号规格 富氧量 m3/h 总配电kw 配锅炉t/h 占地 面积m2 7 7 7.5 5
MZYR-80 MZYR-100 MZYR-120 MZYR-200 MZYR-250 MZYR-300 120 150 180 200±20 250±20 300±40 13.2 13.2 17.2 26 35.5 44.5 6 8 10 15 20 25 4 4.5 4.5 5 5.5 6 MZYR-600 MZYR-700 MZYR-850 MZYR-900 MZYR-1500 MZYR-2500 600±45 700±50 850±50 900±50 1500±50 2500±50 66 90 93.5 93 160 250 45 50 65 75 130 220 7.5 8 8.5 9 12 17 膜法制氧系统特点： ? 1、采用进口膜组件，产气量高，富氧浓度稳定，完全适用于高原环境，在零下30度的环境中仍然可以正常运行。 ? ? ? 2. 系统的使用寿命时间长达10年。 3. 所有压力容器和管件均选用304不锈钢材质。 4. 控制系统根据需要可采用德国西门子PLC全自动控制方式，无需专人看护，并配有液晶显示屏，能够使操作人员直观地看到各项运行参数。 ? 5. 整体布局合理，结构紧凑，占地面积小；膜系统为柜式结构，重量轻，无需地基,现场方便与其它设备外连管线。 ? 6. 启动时间很短，开机后马上就可以生产合格的富氧空气。 6
系统流程：
富氧助燃技术及装置介绍
富氧助燃技术是用于各种工业锅炉、窑炉的节能集成技术。富氧技术是采用高分子膜法制取27-30%的富氧空气，即利用空气中各组分透过高分子膜时的渗透速率不同，在压力差驱动下，使空气中的氧气优先通过，获得氧气浓度和流量均十分稳定的富氧空气。膜法富氧技术为资源的创造性技术，它是第三代最具发展应用前景的气体分离技术。
膜法富氧技术的主要优点：流程简单、体积小、无相变、能耗低、操作方便和安全、灵活性高、膜组件寿命长且免维护。当富氧浓度在30%左右、流量50，000 NM3/H以下时，投资、运行及维护等费用远远低于深冷法或PSA法。
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助燃技术是采用独特的喷嘴喷射技术，确保不与普通空气混合的条件下，使富氧空气高速进入燃料燃烧区这一局部，获得与整体增氧基本相同的效果，而没有任何副作用，如同好钢要加在刀刃上一样，富氧应加在最需氧的地方，使燃料在此能用最少的氧气来充分及时完全地燃烧。对于各种类型的燃料锅炉，采用专用的富氧喷嘴，选用梯度燃烧、对称燃烧、α型燃烧、S型燃烧、四角燃烧、分级燃烧和独特的射流技术等助燃技术，达到局部增氧助燃的节能目的。
富氧助燃技术的主要优点：
1.提高燃烧区的火焰温度、火焰黑度、辐射热并降低排烟黑度； 2.加快燃烧速度，促进燃烧完全，从而根治污染； 3.降低燃料的燃点温度和燃尽时间； 4.减少燃烧后的烟气量；
5.增加热量利用率，节能效果明显；
6.降低空气过剩系数，从而达到节能降耗、稳定炉况等目的。
四．工业锅炉富氧燃烧应用
锅炉类型众多，如链条炉、往复炉、抛煤机锅炉、煤粉炉、循环流化床锅炉、沸腾炉、加热炉、热媒炉、燃油炉、燃气炉、快装炉等，对于锅炉是利用局部增氧助燃技术来强化原有锅炉的火焰特性，既要使燃料在炉膛的停留时间更长，又要使燃料在尽可能少的助燃风下更充分、更完全地燃烧。节能率一般在5%-18%之间，约一年时间可以收回投资。
锅炉热效率分析
1、锅炉热效率提高：
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公式： η2=100-∑q=〔q2+q3+q4+q5+q6〕
式中： η2—锅炉反平衡热效率 %
q2—排烟热损失 %
q3—气体不完全燃烧热损失 %
q4—固体不完全燃烧热损失 %
q5—散热损失 %
q6—灰渣物理热损失 %
从锅炉热平衡热效率公式中可看出，锅炉热效率的高低取决于它的五种热损失的大小，分别是1、排烟损失q2，2、气体不完全燃烧热损失q3，3、固体不完全燃烧热损失q4，4、散热损失q5，5、灰渣物理热损失q6。其中排烟损失q2和固体不完全燃烧热损失q4，是正转链条锅炉热损失的最大两项，它们之和占总损失的80%以上。
2、排烟热损失q2
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从公式中可看出，排烟热损失q2的大小，取决于排烟温度的高低和排出烟气量的大
小，改造后的富氧燃烧锅炉，可减少一次风的风量，使过剩空气系数合理，这样就能减少烟气的大量排出。烟气带走的热量就大大的降低，排烟热损失就小。
3、气体不完全燃烧热损失q3
气体不完全燃烧损失q3，从公式中可看出，主要取决于排烟处烟气容积和可燃气体，改造后的富氧燃烧锅炉，可燃气体得到充分燃烧，炉膛温度高，用普通空气助燃，约五分之四的氮气不但不参与助燃，还要带走大量的热量。一般氧浓度每增加1%，烟气量约下降2～4.5%，所以气体不完全燃烧损失q3也就小。从而能提高燃烧效率。
4、固体不完全燃烧热损失q4
固体不完全燃烧损失q4，取决于炉渣、漏煤、飞灰的量和含碳量。
燃油或燃气锅炉（助汽炉、加热炉、热媒炉等）
局部增氧助燃技术用于燃油或燃气的锅炉加热炉、注气炉，其特点差不多，一般均
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采用对称燃烧技术。每支油枪或气枪对称配2 、4、6或8支富氧喷嘴。富氧喷嘴的位置在某一同心园上，距离和角度一般主要根据火焰中心的长短及大小确定，，采用对称燃烧技术使燃料在炉膛中心强化燃烧，提高火焰温度，且由于辐射热与火焰温度和水冷壁管温度的四次方之差成正比，使得辐射热显著增加，而富氧量、线速和富氧喷嘴的尺寸等则需要根据燃料量和燃料特性通过系统综合优化来定。
对称燃烧对富氧喷嘴的要求：不改变火焰形状、强化火焰、提高温度。
链条锅炉、煤粉锅炉
采用s型燃烧技术或α型燃烧技术及四角燃烧，富氧喷嘴一般可以加在炉排底下、后拱、前拱、侧墙或四角等。目的是强化原有锅炉的火焰特性，使燃料和烟气在炉膛中
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的停留时间更长，从而充分彻底完全地燃烧，放出更多的有效热量。然后通过现场整体调节优化达到节能目的。
（图1)
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（图2）
（图3）
五．水泥窑炉富氧燃烧应用
水泥窑主要分立窑和回转窑两大类。将富氧助燃技术用于水泥窑，其意义正如武汉工业大学硅酸盐研究中心的李娟等老师等所介绍：富氧燃烧不仅能使燃料的燃烧时间大大缩短,有利于提高燃料的完全燃烧程度,而且还能提高火焰温度和黑度,从而改善窑内的传热条件,使窑的产量提高,热耗下降。这一措施经计算在技术上是可行的；山东建材学院的陈绍龙和周庆明老师在机械立窑上通过初步试验也证明：富氧燃烧对燃料的燃烧速度和燃尽度的提高作用十分明显，为缩短烧成时间，提高煅烧产质量提供了必
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要保证和可能；上海焦化厂设计院的计虎掌高工则对采用富氧空气助燃煤矸石生产水泥进行了简要的技术经济分析；我们通过多年的调研和分析后也认为，富氧助燃技术，用于水泥窑的节能减排同样意义重大。 1 富氧燃烧缩短燃料完全燃烧所需的时间
随着富氧浓度的提高，煤粉的燃烧时间缩短。如富氧的浓度提高到25%时，煤粉的燃烧时间可缩短16%左右。在空间尺寸不变的情况下，由于煤粉燃尽时间的缩短，煤粉燃尽的程度自然提高，这就减少了煤粉的不完全燃烧所造成的热量损失，达到节能的目的。另外 CO、NOx 等有害气体生成量也相应减少，有利于环保。 2 富氧燃烧提高了窑内气流对物料的辐射传热速率
在水泥回转窑内火焰向物料传热的主要方式是辐射传热，而窑内气流对物料的辐射传热速率又主要取决于气流的温度和气流的黑度，二者越高，辐射传热量就越多，这可以通过富氧燃烧来达到此目的。由于空气中氧气的浓度提高，相应可减少空气量，使得进入燃烧室的 N2量下降，火焰的总体积下降 (即火焰的体积流量下降)。在燃料的加入量不变的情况下，火焰的温度相应提高，提高的程度主要取决于空气中氧气的浓度。
如某厂水泥回转窑的台时产量为 26t/ h。煤耗为 0.25kg/ kg熟料，每小时烧煤量 6500kg,燃烧带的过剩空气系数为 1.1。燃煤的理论空气量为 6Nm3/kg(煤)。 由此看出，需含 O2为 21%的空气量： V =26000×0.25×6×1.1 =42900 Nm3/ h
在此空气中的含氧量 =42900×21%=9009Nm3 / h。当空气中氧气的浓度提高至25%时，所需的空气量则减少了16%。进入燃烧室的 N2 量相应下降 2 0 %,使得火焰的总体积下降，在燃料的加入量不变的情况下，火焰温度提高，提高的程度主要取
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决于空气中氧的浓度，当空气中氧气的浓度达到 25%时，经计算，火焰温度可提高 100℃左右。另外因入窑空气量减少，使得火焰中 CO2 与 H2O的体积百分比浓度升高。火焰的黑度也相应增大。
根据计算得知，当助燃空气中氧含量为 25%时，CO2 的体积百分浓度提高 17.5%,水蒸汽的体积百分浓度相应提高 17.7%,由于 CO2 与 H2O的浓度均增加许多，火焰的黑度相应增大，当空气中氧气的浓度为 21%时，火焰的黑度经计算为 0.2104，当空气中氧气的浓度为 25%时，火焰的黑度经计算为 0.2245,增加的程度约6.7%。火焰对物料的辐射传热量提高的程度经计算应为 20.4%, 回转窑其他各带的辐射传热量都相应提高，提高的幅度不会相差很大。 3. 稳定火焰形状，提高火焰温度
研究表明火焰形状和长度影响到熟料中 C3S 矿物的晶粒发育大小和活性，因此，在烧高强优质熟料时，必须调整火焰长度适中，且要求火焰形状稳定。通入富氧以后，燃料燃烧更加稳定，所以火焰的稳定性能得到加强。干法窑窑头火焰温度控制，视窑型大小而异，对于2000t/d 以下的窑型一般控制在 1650～1850℃之间，对于大型窑如 5000t/d 以上窑型，火焰温度控制在 1750～1950℃的较高范围内比较有利，采用高温烧成有利于熟料质量的提高和碱分的充分挥发，可获得低碱熟料。采用富氧燃烧技术，可使燃烧反应更加剧烈，从而提高火焰温度。 4.加快反应速度，提高升温速率
优质熟料形成要求在窑内过渡带升温阶段要求快速升温，促进熟料的矿物形成和烧结，通入富氧空气以后，可加快燃烧反应速度，提高回转窑内的升温速率。 5. 促进燃料完全燃烧，稳定窑内煅烧温度
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提高氧浓度可使化学反应更加彻底，缩短了燃料燃尽时间，促进燃料完全燃烧，同时还能稳定窑内的煅烧温度，以保证熟料矿物的烧结。
6. 降低过量空气系数，保持窑内微氧化气氛研究表明窑尾废气中氧浓度控制在 2%～3%左右为较好，即保持微氧化气氛操作，若过剩空气系数控制过低，二次风不足，易导致还原气氛产生，窑内的还原气氛会将熟料中的某些矿物质还原（例如 Fe2O3 成分被 CO 还原成 FeO）影响熟料液相成分和黏度，影响熟料烧结，易产生大量黄心熟料，影响到熟料质量的提高。提高氧浓度可降低过量空气系数，同时保持窑内的微氧化氛围，为优质熟料的生产创造条件。
总之，富氧燃烧用于水泥窑，可改善煤的燃烧条件，缩短燃烧所需的时间，实现燃料的完全燃烧，同时也可使传热速率大幅度提高，因此有利于水泥生产。此外，采用富氧燃烧，可使废气排放量及 CO、NOx 等有害气体的产生量下降，有利于节能减排。但富氧空气的引入不可避免地会改变水泥的原有工况条件，因而在操作及设备方面必须作相应的调整，以满足水泥回转窑生产中所要求的火焰及温度场要求。 （1）分解炉系统增加富氧
分解炉系统是新型干法水泥生产工艺的重要组成部分，它承担预分解系统中繁重的燃烧、换热和碳酸盐分解任务。这些任务能否在高效状态下顺利完成，主要取决于生料与燃料能否在炉内很好的分散、混合和均布；燃料能否在炉内迅速的完全燃烧，并把燃烧热及时的传递给物料；生料中的碳酸盐组分能否迅速的吸热、分解，逸出的二氧化碳能否及时排除等。在分解炉内生料与高温气流之间传热快，物料在炉系统内停留时问短，化学反应迅速，对热工制度的波动较为敏感。热工制度不稳定，轻者会打乱正常的生产秩序，严重时则会造成预热器系统的粘结堵塞，甚至威胁设备安全。碳酸盐分解是一个强吸热反应，耗量为：碳酸镁为 815kJ/kg，碳酸钙为 1656kJ/kg，
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由于生料中含有大量的碳酸盐，因此分解窑系统就需要大量热，应用富氧燃烧技术有利于提高分解炉系统的热效率，稳定分解炉热工制度，提高碳酸盐的分解效率和质量。 ① 降低燃料着火温度和燃尽温度，提高着火速度理论上，着火是由缓慢的氧化状态转变到反应能自动加速到高速燃烧状态的瞬间过程，相对应的温度称为着火温度，它反映了煤粉着火的难易程度。燃尽温度是煤粉基本燃尽时的温度，燃尽温度越低，表明燃尽时间越短，煤粉就越容易燃尽，残炭中的可燃剩余量就越少。 从图 1 可以看出，随着氧的体积分数的增加，煤粉燃烧的着火温度 Ti 和燃尽温度 Th均呈下降趋势，因此可以说明，富氧可使煤粉的着火提前并燃烧充分。从图 2 可以看出在氧的体积分数较低时，随着氧的体积分数的增加，煤粉着火时刻的燃烧速度增加较快，因此，在氧的体积分数较低时，增加氧的体积分数，会使煤粉的燃烧强度得到加强，提高煤粉的着火速度。
② 加快反应速度，缩短燃料燃烧时间煤粉被加热后，挥发份在 300-400℃时即迅速析出并点燃、燃烧，且能在很短时间内燃尽。而煤粒中残留焦炭的燃烧最为缓慢，占据了整个燃煤反应的绝大部分时间。分解炉内， 由于碳酸钙分解速度快，其吸热反应控制了分解炉炉温；炉内煤粉燃烧大多在 850-900℃较低温度下进行。反应动力学研究表明，水泥分解炉内煤粉燃烧属动力控制的一级反应，反应速度方程为：ω=Aexp（－E／RT）·PO2式中：A——频率因子E/R——活化能PO2——O2 分压T——温度即燃烧速度取决于化学反应能力，并与燃料性质、温度等有很大关系，与燃烧气体氧气分压成正比，而和气流相对速度关系较小。增加氧浓度，提高炉内温度能够加快化学反应速度。燃料的燃烧时间与氧浓度的关系如图 4-3 所示。增加空气中氧气的浓度，如氧的浓度能提高到 25 %，则煤粉的燃烧时间可大大缩短，为此，按无灰碳粒燃烧的计算公式进行估算。设：τ1 为当空气中氧气的浓度为 21%时，碳粒完全燃烧所
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需的时间；τ2为空气中氧气的浓度为 25%时，碳粒完全燃烧所需的时间。τ1=ρxδ2/(8mD×0.21×1.428)τ2=ρx/δ2/(8mD×0.25×1.428)(1)
(2)式中,ρx 为碳粒的密度(kg/ m)，δ为碳粒的颗粒直径(m)；D 为氧气的扩散系数(m/s)；m为碳与氧的化学当量比(0.375)；1.428 为氧气在标准状态下的密度(kg/ Nm3)。由(1)/(2)，得τ2=0.84τ1
由此得出结论，如氧气的浓度提高至 25%时，煤粉的燃烧时间可缩短 16%。 ③ 加快火焰传播速度，提高火焰温增加氧浓度可以加快化学反应速度，从而加快了火焰的传播速度，增强火焰稳定性，提高了火焰温度。
④ 促进燃料完全燃烧，提高炉膛温度，强化炉内传热提高氧浓度可使化学反应更加彻底，缩短了燃料燃尽时间，促进燃料完全燃烧，减少了不完全燃烧所造成的热量损失，达到节能的目的。图 4 为燃料燃尽率与氧浓度的关系。由于燃料的燃烧工况得到了良好的改善，提高了炉膛温度，同时强化了物料与气流的热传递，使得分解炉系统的热工制度更加稳定。
⑤ 降低过量空气系数，减少烟气排放量和排烟损失由于空气中含 79%氮，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出，且氮分子不可能与燃料中可燃物反应，以及空气通过燃料层阻力等诸多因素。因此，必须以过剩空气使燃料燃烧获得足够的氧量，而使煤充分燃烧，这样就必须加大 3次风量，但是在水泥生产工艺中若风速过大，系统阻力加大并且缩短燃料、物料及气流在系统各部位的停留时间，影响整个系统的热效率和热工制度。采用富氧空气以后，氮气的浓度降低，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出的能力必然减弱，所以所需得过量空气必然减少，因而降低过量空气系数，同时减少烟气排放量和排烟损失。
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