可再生能源和可持續(xù)能源的評(píng)論

1、 可再生能源和可持續(xù)能源的評(píng)論 礦井通風(fēng)空氣甲烷作為可持續(xù)能源的來(lái)源Izzet Karakurt, Gokhan Aydin, Kerim Aydiner Karadeniz Technical University, Department of Mining Engineering, 61080 Trabzon, Turkey文章信息 文章歷史：從2010年6月23日到2010年11月12日關(guān)鍵詞：全球變暖 溫室效應(yīng) 甲烷 煤礦 通風(fēng)空氣摘要：甲烷的來(lái)源之一是地下煤礦開采釋放大量的甲烷。煤礦中大約70%的甲烷是通過通風(fēng)空氣排放到大氣中。更不幸的是，由于低濃度甲烷在空氣通風(fēng)中僅占有(0.1 -

2、 -1.5%)，使其有效利用率相當(dāng)?shù)?。但是，由于全球變暖，通過氧化作用甲烷可減少95%。在氧化過程中我們可以回收大量能量。在這項(xiàng)研究中，以現(xiàn)有的發(fā)展方法，基于甲烷的氧化特性，討論了VAM（煤礦乏風(fēng)）的緩解和利用的方法。同時(shí)關(guān)于甲烷的主要操作參數(shù)如燃燒法、技術(shù)可行性和工程試用性也進(jìn)行了討論。 2010年艾斯維爾有限公司，保留所有權(quán)。目錄1.介紹12.VAM的緩解和利用43.甲烷氧化機(jī)制64 輔助使用通風(fēng)空氣甲烷74.1粉狀燃煤發(fā)電站84.2混合廢物/煤炭/尾礦/甲烷燃燒單元84.3內(nèi)燃機(jī)94.4傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪機(jī)95.主要使用VAM105.1熱逆流反應(yīng)堆技術(shù)(TFRR)105.2催化逆流反應(yīng)堆(CF

3、RR)125.3Catalytic-monolith反應(yīng)堆(CMR)135.4稀薄燃燒燃?xì)鈾C(jī)（渦輪機(jī)）135.5集中器146結(jié)論157.參考文獻(xiàn)16簡(jiǎn)介1.介紹 溫室氣體的排放,主要來(lái)自燃燒化石燃料、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)設(shè)施和廢物管理流程等活動(dòng)。累積在大氣中的溫室氣體導(dǎo)致了地球溫度的增加。由于全球氣溫的增加,預(yù)計(jì)將會(huì)影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域重要的變化,同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)和人類的生活也將產(chǎn)生重大改變。二氧化碳、甲烷、氮氧化物和氯氟化碳對(duì)全球變暖和環(huán)境問題有至關(guān)重要的影響。認(rèn)為排放二氧化碳的速度占溫室氣體排放總量的74%。圖1中給出了甲烷，氧化氮和二氧化碳在全球變暖中的比重。 甲烷保存熱量的能力是二氧化碳的

4、20倍。盡管事實(shí)上，甲烷是人為溫室氣體排放中的第二大貢獻(xiàn)者，但至少它像二氧化碳一樣同樣影響了氣候變化。1990年至2005年溫室氣體中CO2的含量已在圖2中給出，甲烷排放在1990 - 2005年期間逐漸增加,這些增加預(yù)計(jì)將保持他們的未來(lái)趨勢(shì)。到2020年煤炭開采和農(nóng)業(yè)作為主要貢獻(xiàn)部分大約會(huì)增加12-16%。Fig2.0 1990-2005年間溫室氣體改變 甲烷釋放主要來(lái)自農(nóng)業(yè)、能源、工業(yè)和廢物處理領(lǐng)域。能源行業(yè)是人為甲烷排放的第二大貢獻(xiàn)者占（30%）。能源行業(yè)中煤炭開采，固定與移動(dòng)燃燒和生物質(zhì)燃燒也導(dǎo)致了甲烷和天然氣的排放。煤炭開采排放占能源行業(yè)排放的22%(圖3)。 來(lái)自采礦作業(yè)中排放氣體

5、的含量與煤層的煤階和深度成函數(shù)關(guān)系。煤階是一個(gè)煤的碳含量的測(cè)量。較深的煤層中通常意味著更高的碳含量，同時(shí)甲烷的含量也就越高。各種煤中無(wú)煙煤和半無(wú)煙煤的煤階最高,而泥炭和褐煤最低。煤層深度的重要性關(guān)系到了煤炭的壓力強(qiáng)度。煤炭壓力隨煤層深度增加而增加，防止了甲烷遷移到表面。因此，地下采礦作業(yè)通常比地表采礦釋放出更多的甲烷。 煤層甲烷含量隨深度增加而增加。煤床以下100米甲烷含量0.02立方米/噸。甲烷濃度增加到7.069立方米/噸，煤層在2000米深度。Singh et. al. 發(fā)現(xiàn)了印度煤層的相關(guān)性.他們發(fā)現(xiàn)煤層深度每增加100米甲烷含量增加1.3立方米。 甲烷是在被開采過程中并通過通風(fēng)設(shè)備時(shí)

6、被排放出來(lái)的。稀釋過的甲烷是通過尾氣排放到大氣中的。這種氣體稱為“通風(fēng)空氣甲烷(VAM)”并有很低的甲烷濃度。在VAM閥值中低濃度的甲烷是礦井空氣中所含甲烷濃度的極限值。然而，他所負(fù)責(zé)排放甲烷的60-70%都與煤的開采有關(guān)。 除了影響煤礦生產(chǎn)過程的連續(xù)性,甲烷在全球變暖中起到了重要影響?；厥铡⒗貌粌H可能用來(lái)克服對(duì)環(huán)境影響的不利影響，還可以利用甲烷作為能量來(lái)源。煤礦排放的甲烷在甲烷排放有重要的份額，是甲烷的主要來(lái)源之一。在美國(guó)，煤炭開采產(chǎn)生的420億立方英尺的甲烷是通過排水系統(tǒng)排放的，大約1000億立方英尺的甲烷是作為通風(fēng)空氣被排放。這是所有國(guó)家大部分煤炭開采實(shí)踐最相同的理由。因此,煤礦乏風(fēng)可

7、以被視為甲烷排放的主要來(lái)源。 該項(xiàng)目在理論上論述了甲烷減排與回收利用方法適合通風(fēng)空氣甲烷。這些方法也對(duì)他們的主要操作參數(shù)如燃燒方法,技術(shù)可行性和工程適用性進(jìn)行了比較。此外，來(lái)自世界各地的各種VAM項(xiàng)目也被提出來(lái)。18第二節(jié)2.VAM的緩解和利用 在不同產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)加工和使用中會(huì)獲得大量氣體，為了維持工作環(huán)境的安全，甲烷在煤層中必須回收?；厥諝怏w中甲烷含量可能達(dá)到95%。煤礦甲烷(CMM)的一般分類緩解和利用方法見圖4。 通過排水系統(tǒng)獲得的氣體中甲烷濃度超過30%，這種氣體可以用于工業(yè)。然而，由于風(fēng)量很大和濃度變量等問題，所以利用含有低濃度的通風(fēng)空氣具有很大困難。為了在工業(yè)中使用，必須增加通風(fēng)

8、空氣中的甲烷濃度?，F(xiàn)在還沒有有效的可利用技術(shù)來(lái)提高甲烷濃度，但是現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家的多數(shù)研究成果一直集中在通風(fēng)空氣中的氧化甲烷。甲烷通過氧化生成二氧化碳和能源生產(chǎn)中可以利用的熱量。由于氧化作用，甲烷在氣候變化問題上的影響可以減少近20倍。 從燃燒動(dòng)力學(xué)機(jī)制的角度看，甲烷氧化的方法可分為熱催化氧化和接觸催化氧化。VAM在氧化技術(shù)中作為輔助和主要燃料。 第三節(jié)3.甲烷氧化機(jī)制 甲烷的整個(gè)燃燒機(jī)里由以下方程表示： CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OH(298) = 802.7 kJ/mol (1) 然而,這是一種簡(jiǎn)單化的方程，實(shí)際反應(yīng)機(jī)理涉及很多激烈的連鎖反應(yīng)23,16。通過下面的反應(yīng)，根據(jù)甲烷

9、的比例甲烷燃燒可能生成CO或CO2。CH4+2O2=CO2+2H2O (2)CH4+ 3/2O2 = CO + 2H2O (3)其他反應(yīng)也可能呈現(xiàn)如下:CH4+H2O=CO+3H2 (4)2H2+O2=2H2O (5)CO + H2O = CO2 + H2 （6） 甲烷催化燃燒機(jī)理更為復(fù)雜特別的是將異構(gòu)反應(yīng)考慮在內(nèi)?？赡艿臋C(jī)制甲烷催化氧化是圖5所示。第四節(jié)4 輔助使用通風(fēng)空氣甲烷 在燃燒過程中捕獲的通風(fēng)空氣可以作為輔助燃料來(lái)增加燃燒性能?；緫?yīng)用程序利用通風(fēng)空氣中的甲烷作為外界環(huán)境空氣粉燃煤發(fā)電站，混合廢氣/煤礦甲烷燃燒裝置,燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)。 表1中給出了用主要的操作參數(shù)來(lái)評(píng)估輔助通風(fēng)空氣技

10、術(shù)的可行性和工程適用性。 利用這些方法來(lái)回收能量是必然的。預(yù)計(jì)的成功主要是依靠各礦井單位之間的安全連接。但是,這是每一環(huán)境的具體問題,尚未完全檢查出共同的特性16。表2從主要操作闡述參數(shù)的角度比較了輔助通風(fēng)空氣甲烷的多種方法。4.1粉狀燃煤發(fā)電站 在大型電站燃燒過程中捕獲的通風(fēng)空氣可以作為環(huán)境空氣加以利用。在澳大利亞的一座發(fā)電站，進(jìn)行的中等規(guī)模的研究對(duì)相應(yīng)程序進(jìn)行了分析，結(jié)果表明,該方法在技術(shù)上是可行的,特別是如果一個(gè)電廠附近已建有礦山排氣軸14。 一般來(lái)說發(fā)電站不是所有瓦斯礦井都適用。這種方法不能保證它的適用性。根據(jù)甲烷的濃度和流量通風(fēng)空氣中甲烷濃度的變化，可能對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成負(fù)面影響。他還增

11、加了電站運(yùn)行的復(fù)雜性。例如，在燃燒過程中甲烷濃度可能會(huì)增加，這可能會(huì)對(duì)設(shè)備（鍋爐）、熔渣和殘?jiān)斐蓳p害16。 4.2混合廢物/煤炭/尾礦/甲烷燃燒單元 當(dāng)考慮甲烷氧化機(jī)制時(shí)，隨著通風(fēng)空氣在煤粉鍋爐中的使用，在回轉(zhuǎn)窯或流化床之間的通風(fēng)空氣中混合的廢料/煤/甲烷燃燒單元有相似之處，這方面已被人們意識(shí)到。然而，這需要一個(gè)額外的規(guī)定來(lái)規(guī)范這個(gè)燃燒過程并保證其穩(wěn)定性。 一些旋轉(zhuǎn)窯已經(jīng)被研究出來(lái)用來(lái)混合低質(zhì)量的廢料/燃煤。對(duì)這些窯的研究開展已經(jīng)表明,高質(zhì)量的氣體或燃料需要維持穩(wěn)定的燃燒過程23。在柯布24進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，假如在這些高質(zhì)量的窯中使用無(wú)煙煤，廢料表現(xiàn)出低的性能。 盡管廣泛的中等規(guī)模工廠，將V

12、AM作為一種輔助燃料在流化層燃燒是有效的，但沒有研究表明流化層單元中的甲烷被完全氧化。4.3內(nèi)燃機(jī) 內(nèi)燃機(jī)通常使用介質(zhì)氣體產(chǎn)生電和能量；因此，在燃燒過程中他們適合使用VAM環(huán)境下的氣體。如果在運(yùn)輸過程中它更為有利，那就需要選擇低的成本來(lái)減少通風(fēng)空氣中的甲烷。由于在燃燒過程中產(chǎn)生更高的溫度，這種方法會(huì)比其他方法產(chǎn)生更多的N2O14。盡管這種方法有較低的成本，但僅有一小部分的通風(fēng)空氣中的甲烷能在該程序中得到利用。4.4傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪機(jī)傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)與內(nèi)部氣體發(fā)動(dòng)機(jī)有相似之處，通風(fēng)空氣中一小部分的甲烷就能夠滿足燃?xì)鈾C(jī)的燃料需求。另一方面，使用通風(fēng)空氣來(lái)稀釋燃燒過程，同時(shí)冷卻渦輪機(jī)會(huì)導(dǎo)致甲烷在通過渦輪機(jī)時(shí)

13、不發(fā)生燃燒。為了避免這種情況，不僅需要更復(fù)雜的渦輪系統(tǒng)從其他來(lái)源處獲得壓縮空氣，而且還要求能夠壓縮通風(fēng)空氣26,16。第五節(jié)5.主要使用VAM 在燃燒過程中通風(fēng)空氣可以作為主要燃料，同時(shí)用來(lái)減輕排放空氣中的甲烷的排放。然而，依據(jù)甲烷濃度的操作要求，通風(fēng)空氣的主要用途可能不是這幾個(gè)方式。VAM作為主反向反應(yīng)堆，catalyticmonolith反應(yīng)堆，精益燃燒燃?xì)鉁u輪機(jī),集中器。這些技術(shù)的詳細(xì)描述如下。該燃料的緩解和利用率方法在表3中給出。5.1熱逆流反應(yīng)堆技術(shù)(TFRR)熱逆流反應(yīng)堆是一種用于有機(jī)物氧化的設(shè)備。它們的工作原理已經(jīng)被許多研究人員記錄下來(lái)26,27?；旧?，TFRR包含了石英石、礫

14、石床或一套中間含有電加熱原件的陶瓷熱交換介質(zhì)。含有甲烷的礦井通風(fēng)空氣可以通過設(shè)備上的閥門或通道進(jìn)入反應(yīng)堆28。圖6中TFRR的示意圖予以說明。通風(fēng)空氣中的甲烷能夠發(fā)生自燃的環(huán)境溫度。甲烷自燃的原理是，用反應(yīng)器的中心的電加熱元件加熱介質(zhì)來(lái)開始該進(jìn)程。在環(huán)境溫度下有含有甲烷的通風(fēng)空氣進(jìn)入反應(yīng)堆，它們從一個(gè)方向流經(jīng)反應(yīng)堆同時(shí)其溫度會(huì)不斷提高，直到氧化床中心處的甲烷氧化為止。在該過程中氧化產(chǎn)品會(huì)持續(xù)穿過氧化床將熱量散失到氧化床的另一面。當(dāng)由于環(huán)境溫度的通風(fēng)空氣的流入使氧化床近側(cè)一段溫度冷卻遠(yuǎn)端一側(cè)溫度升高時(shí)，該反應(yīng)堆會(huì)自動(dòng)反轉(zhuǎn)通風(fēng)氣流的方向。通風(fēng)空氣(VAM)進(jìn)入此時(shí)（加熱）床的遠(yuǎn)端然后氧化發(fā)生。在熱

15、氣體將熱量轉(zhuǎn)移到氧化床另一端的同時(shí)，在氣體溫度剛剛高于環(huán)境溫度時(shí)退出反應(yīng)堆。然后，再一次逆轉(zhuǎn)該過程。氧化甲烷產(chǎn)生CO2和熱量。如果事實(shí)符合，能量可能成為氧化產(chǎn)品。熱逆流反應(yīng)堆對(duì)礦井通風(fēng)空氣甲烷（VAM)的氧化 95%31。根據(jù)閥門和氣流的循環(huán)熱逆流方式，反應(yīng)堆有了可以替代的設(shè)計(jì)。TFRR可替代設(shè)計(jì)的圖解，如圖7所示。5.2催化逆流反應(yīng)堆(CFRR)催化反應(yīng)堆不同于TFRR只有在CFRR方法下才使用催化。CFRR降低通風(fēng)空氣中甲烷的自燃溫度以保持系統(tǒng)在燃燒期間的耐久性32。通過增加空氣或水氣混合氣到熱交換器中可以防止過熱 或過冷。這種類型反應(yīng)堆有一定優(yōu)勢(shì)，例如可以在過低的溫度下工作，釋放少量的N

16、2O（可以忽略不計(jì)），低的生產(chǎn)、工程成本，要求更小的設(shè)備34,35。來(lái)自Sapoundjiev和奧布35省公布的一項(xiàng)研究表明，CFRR技術(shù)將用于煤礦發(fā)電，將其提供給遙遠(yuǎn)地方的熱能用戶。為了降低通風(fēng)空氣中的甲烷，給出了CFRR用于煤廠發(fā)電的好處。圖9顯示了CFRR方法使用VAM中甲烷的好處，從圖1和圖2中可以分別了解到，溫室效應(yīng)將逐漸下降，氧化產(chǎn)品可以應(yīng)用到不同領(lǐng)域。CFRR氧化VAM中大約90%的甲烷。因此，它可以獲取一個(gè)重要的能量來(lái)源，減少VAM的溫室效應(yīng)。CFRR氧化大約90%的VAM中的甲烷。因此VAM是獲得能量的重要來(lái)源,并降低溫室效應(yīng)36。1、 5.3Catalytic-monoli

17、th反應(yīng)堆(CMR) 存在類似原則的其他方法，適用于巨型催化反應(yīng)堆的操作及其設(shè)計(jì)特點(diǎn)。巨型催化反應(yīng)堆的巨大的反應(yīng)堆就像一個(gè)蜂巢。在高質(zhì)量流下由于非常低的壓降和高的幾何面積及高機(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn)，因此CMR被廣泛利用37。整塊材料由一個(gè)七通道壁被一含有催化作用地活躍粒子的平行通道的結(jié)構(gòu)組成。因此，相比其他反應(yīng)堆設(shè)計(jì)（TFRR或CFRR），根據(jù)加工相同數(shù)量的通風(fēng)空氣可以看出CMR單元更緊湊。根據(jù)主要性能和設(shè)計(jì)特點(diǎn)表4比較了不同反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)（CFRR，TFRR和CMR）。 VAM捕獲礦井廢氣，不僅需要高容量和低濃度的甲烷而且甲烷濃度是可變的。這些弊端會(huì)導(dǎo)致緩解工作和應(yīng)用方法的效率降低。MEGTER,該公

18、司生產(chǎn)TFRR,有報(bào)道指出TFRR會(huì)在濃度0.08%的甲烷中繼續(xù)它的工作。然而，Utah大學(xué)仿真模擬顯示，如果甲烷濃度低于0.35%，溫度將跌破最低要求14。維持CFRR操作的最低通風(fēng)空氣中甲烷濃度應(yīng)在0.1%以上。目前尚不清楚，甲烷占空氣0.1%比重的情況下CFRR單元可以運(yùn)行多久33。由于催化燃燒實(shí)驗(yàn)旨在明確CMR操作需要甲烷的最低濃度，在VAM中當(dāng)甲烷濃度大于0.4%時(shí)它可以運(yùn)行16。5.4稀薄燃燒燃?xì)鈾C(jī)（渦輪機(jī)）近年來(lái)，許多稀燃汽輪機(jī)正被研制，例如EDL回?zé)崾饺細(xì)廨啓C(jī)，CSICO稀薄燃燒催化燃?xì)廨啓C(jī)，伴有催化燃燒室的Ingresoll-Rand微型燃?xì)廨啓C(jī)38。VAM主要用于，使用預(yù)熱

19、空氣中甲烷燃燒過程產(chǎn)生的熱量的回?zé)崾饺細(xì)廨啓C(jī)。表5提供了稀薄燃燒燃?xì)廨啓C(jī)一些重要特點(diǎn)之間的比較。通風(fēng)空氣中甲烷濃度應(yīng)在1.6%以上。因此,它可能需要添加大量的通風(fēng)空氣中的甲烷，來(lái)達(dá)到足夠的甲烷濃度以作為輔助燃料。不僅低濃度的通風(fēng)空氣中的甲烷可以用于這些類型的渦輪機(jī)，而且從前后進(jìn)排氣口中捕獲的甲烷也可以使用16。 基于澳大利亞，兩個(gè)瓦斯礦井真實(shí)的甲烷排放數(shù)據(jù)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)中1%和1.6%濃度的甲烷進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估39。作為本研究的結(jié)果，得出結(jié)論，50-60%的燃料燃燒，需要通風(fēng)空氣甲烷的1%是來(lái)自催化渦輪機(jī)。另一方面，可以看出燃燒30-60%的燃料，需要1.6%的通風(fēng)空氣中的甲烷是來(lái)催化渦輪機(jī)。

20、此外，已經(jīng)確定，渦輪機(jī)消耗近100%的通風(fēng)空氣時(shí)用到1%的甲烷濃度，渦輪機(jī)消耗大約30-50%的通風(fēng)空氣用到1.6%的甲烷濃度。5.5集中器 許多行業(yè)中集中器是用來(lái)捕捉揮發(fā)性有機(jī)化合物的。這些類型的集中器可以充實(shí)通風(fēng)空氣中甲烷，同時(shí)它們可以提高稀燃渦輪機(jī)中氣體（甲烷）的濃度。通風(fēng)空氣中0.1-0.9%的甲烷進(jìn)入這些集中器使甲烷濃度大于20%。如果濃縮后的甲烷濃度30%，用傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)利用通風(fēng)空氣發(fā)電也是一樣的16。第六節(jié)6結(jié)論 甲烷是人為溫室氣體排放的第二大貢獻(xiàn)者。其主要來(lái)源是農(nóng)業(yè)、沼澤、石油和天然氣系統(tǒng)、煤炭開采和燃燒化石燃料。煤礦負(fù)責(zé)antrophogenic甲烷排放量的7%。這些排放量

21、的70%來(lái)自地下煤礦的通風(fēng)空氣。甲烷被認(rèn)為對(duì)溫室效應(yīng)有負(fù)面作用的氣體。此外，還伴有能量浪費(fèi)，作為溫室氣體，通風(fēng)空氣甲烷對(duì)世界能源生產(chǎn)做了無(wú)用功。緩解和增加甲烷利用率的方法，可能有助于減少大氣中甲烷含量。此外,浪費(fèi)的能源也可以利用起來(lái)。 回收和利用通風(fēng)空氣甲烷的有效方法尚未公布，但近年來(lái)很多努力已被實(shí)踐。多數(shù)工作集中于甲烷的氧化。分析當(dāng)前技術(shù)的可能性和理論基礎(chǔ)可以得出以下結(jié)論： (i)通過排水方法捕獲的甲烷，根據(jù)其濃度可以得到利用。然而，由于它具有較高的體積、包含性低和甲烷的濃度變量使得利用甲烷非常困難。 (ii)為了回收利用，在燃燒過程中VAM可以用作輔助和主燃料。輔助使用通風(fēng)空氣甲烷主要用于

22、減少甲烷的溫室效應(yīng)。主要用途，可以實(shí)現(xiàn)能源回收利用和降低溫室效應(yīng)。 (iii)假設(shè)不足的通風(fēng)空氣甲烷濃度滿足緩解和利用進(jìn)程的要求，通風(fēng)空氣應(yīng)用于增加甲烷濃度。集中器適用于濃縮少量的通風(fēng)空氣中甲烷。濃縮后如果甲烷濃度大于30%,它可以用于傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。 (iv)對(duì)于任何礦井站點(diǎn)下的VAM的緩解和利用方法的使用性，主要取決于站點(diǎn)具體條件。對(duì)于礦井場(chǎng)地，關(guān)于任何形式的技術(shù)連接的調(diào)查及安全問題都是非常重要的。 (v)在全球氣候變化的影響下，通過通風(fēng)方法來(lái)自地下煤礦的甲烷，通過氧化方法能夠減少95%。來(lái)自礦井開采的另一部分排放物可以減少67%。第七節(jié)7. 參考文獻(xiàn)1 Aydn G. Coalbed

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