1250KVA工业硅矿热炉除尘系统环境工程设计方案供环境工程专业人员参考.docx
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1250KVA工业硅矿热炉除尘系统环境工程设计方案供环境工程专业人员参考
****硅业有限公司
半封闭式高烟罩型
12500KVA工业硅矿热炉除尘系统
工程方案设计
****环保公司
专项设计证书编号:
******
****年**月
1.概况
****硅业有限公司位于**县**镇工业园内,紧靠**河边,人烟稀少。
**县出产少量高品质的白云石(二氧化硅纯度高达99.5%以上),木材丰富,但距离盛产河床硅石的广西省**县仅60余公里(该地区出产的部分河床硅石含水晶或呈水晶态,品质极高,且相邻数县均因富产高品质的河床硅石而名扬天下),非常适合发展工业硅。
近十年来,****硅业有限公司一直专业生产工业硅。
根据市场发展的需要,该公司拟投资2600余万元,淘汰原有的1条6300KVA工业硅矿热炉生产线,并在原址上新建1条12500KVA工业硅矿热炉生产线,严格按国家产业政策2010年标准之要求建设,既增加产能、降低生产成本,提升企业竞争力,又提高企业环保装备与水平,符合企业长远发展目标。
公司决定对原除尘系统同步技改,通过环保设备技改,使之与12500KVA工业硅矿热炉相配套,本次技改配套资金高达150余万元,占总投资的6%。
根据国家和省、市的相关政策,该公司符合贫困地区的项目扶持条件。
而且该公司的环保设备技改投入较大,应该、也需要得到国家的扶持。
本工程将建成后,不论是工业硅炉的规模与工艺技术装备水平,还是环保治理状况,都将是**市的工业硅矿热炉的样板工程。
该公司计划在项目建成投产、通过环保和行业验收合格后,拟按相关政策申报环保治理专项资金和相关扶持资金。
因此,该公司决定:
将本次环境工程任务交给具有乙级以上环保专项设计资质证书的正规环保公司。
根据**市环保局的环评报告结论、以及**省环境保护厅的批复:
****硅业有限公司年产10000吨工业硅项目的主要污染物是冶炼过程中产生的烟气粉尘。
据此,该公司决定同步技改原大布袋除尘系统,使之与1250KVA工业硅炉配套,实现环保达标前提下,要求除尘系统尽可能节能,电机功率尽可能低。
该公司地处小山区,小水电是当地的主要电力来源,该县的国家电网还在建设之中,企业用电保障还需要等数年。
因此,受该地区小水电供电限制,该公司要求按最大送电负荷12500KVA设计工业硅矿热炉,实际工作负荷约11000KVA(最大不超过12000KVA),生产设备的硬件均按最大负荷12500KVA配置,但要求环保除尘系统按12500KVA配套,并预留15%的余量。
该公司在原址上通过技改,建成12500KVA高烟罩型工业硅矿热炉,而不是矮烟罩型炉,最大程度地利用现有操作平台及相关设备,实现生产设备利用率最高,生产开机率最合理。
这主要是受地域的影响,该公司地处南方山区,主要碳源为冶金焦和木材,木炭掺入使用。
而且地处**河边,用水方便,因此,该公司不打算按东北地区的矮烟罩方式设计,可减少直接投资、缩短工期,确保投资回报率。
这样技改,既可避免因矮烟罩炉对硬件配置的要求太高而导致投资急增,又能保证适当的开机率,避免电力不足时引起停炉的检修次数过多而造成巨大的直接经济损失(因为每次停炉检修都需用TNT炸药炸开炉膛后重建,12500KVA工业硅炉每次检修的直接费用约20多万元,工期约30~45天)。
当然,如果环保设备不配套,不能通过环保验收,因为环保问题而被动停炉,那就很不经济了。
根据该公司要求,技改后最大产能10000吨/年,实际产能25~30吨/天。
我公司技术人员在现场踏勘后,觉得该公司的技改方案和要求均比较合理,可以也应该按12500KVA配套设计除尘系统。
直接针对原除尘系统技改,既可避免投资浪费,又能缩短工期。
经双方现场技术交流确定如下:
1)除尘系统在技改后,除尘效果必须配套12500KVA工业硅的标准炉况,达到环保要求并通过环保验收,且除尘系统运行稳定,环保监测数据真实可靠,保证炉面的操作平台基本无烟尘扩散(正常工况下),并预留在线监测接口;
2)充分利用原除尘器进行技改,节省投资,并缩短工程周期;
3)目前的工业硅市场行情并不好,硅尾粉深加工和销售都困难,而且价格很低,现有变压器的装机容量预留给环保系统的空间非常有限,要求除尘风机的总功率不大于400KW,除尘系统的安装位置与空间也受限,在原址上扩建,只能向公路两端延伸,可占用原地坪,但不能向设备和原料、库房区延伸,因此,主引风管的管程小于40米,而烟气温度太高,需要适当降温设计,以免出现原除尘系统的问题,例如:
主管网、风机等因高温将油漆全部烧损,甚至,钢材烧红。
确定在除尘系统前端不再配套脱碳器和牛顿环分离器,不考虑提高硅微粉的回收纯度,回收的硅尾粉只作普通的耐火材料出售或送走;
4)淘汰旧风机,改用双吸式引风机,通过双进风方式进行双管程抽烟,避免原管道与新管道在2台风机同时工作时出现负荷不平衡引起事故,也可避免风压不平衡引起的除尘效果不良问题,但必须保留原除尘器,只对其适当技改,通过加高布袋区,加固主体工程,提高下花板高度,加大灰斗和提高灰斗高度。
5)保留原管网的双向对称管道,适当技改加固和维修,增加冷却器,减少弯头等风阻因素,充分考虑送风压力和流量的平衡,充分利用热空气上升的自然动力做功,降低风机功率。
6)将原阀门的单缸双向阀改成泄压型的双层三通阀,避免清灰时出现反冲阻力,影响清灰和出灰效果。
7)原灰斗太小,下花板距离地面太低,风阻大,极大地降低了布袋的工作效率与寿命,拟将原2个对称小灰斗用DN950管道串联,合并成1个室的灰斗,使之与新增除尘器配套,而新增除尘室的灰斗按新图制造;
8)保留原500KVA变压器,引风机380V电源。
预留100KVA供车间行车、水泵、生活、办公等用电,引风机的电机功率不超过400KW,不考虑变频调速;
9)引风机必须安装启动和关机的自动远程控制阀,通过远程控制实现电动执行器调节(具体要求:
配置角位行程开关、调节器、伺伏器、放大器、远程操作器等,放在主控制室内统一管理),通过引风机的启动控制柜(放主控制室内),实现其自耦降压延时启动或关机,只有当引风机启动后并转动灵活且稳定后才能打开阀门抽烟除尘,确保引风机的电机电流稳定且电流量较低,风机负荷稳定,不会对同一变压器负荷范围内的其他低功率电器产生明显冲击;
10)要求除尘系统的设备操作简单,清灰可靠且自动化程度较高,布袋更换周期较长(至少2年),更换布袋时要求操作环境良好,不需要特殊的劳动保护措施,可在线操作(能够随意停某室进行检修而不影响生产除尘)。
根据上述要求和现场踏勘参数,结合同类工程的成功案例,现提交本技改工程设计方案。
2.设计原则、依据及范围
2.1设计原则
2.1.1严格执行有关环境保护法律、法规,确保治理后的烟气粉尘含量达到国家和地方排放标准;
2.1.2采用先进实用、稳定可靠的工艺方法,达到本技改工程投资省、工期短、占地省、运行管理方便等目的;
2.1.3本工程除尘系统按照《工业窑炉大气污染物排放标准》(GB9078-1996)、《铁合金行业准入条件》(2008年)和《清洁生产标准钢铁行业》(铁合金)(HJ470-2009)的要求,保证治理后的排放浓度达标。
本方案设计执行粉尘浓度低于50mg/m3标准;
2.1.4采用列管式空气冷却器将烟气温度从烟囱引风口位置800℃以上降到300℃以下,通过管道、进入引风机入口前2m时,温度不超过200℃,并且要求在现场用地有限的条件下,引风机出口管道应尽量短,但是,烟气送入除尘器进口的温度最高不得超过150℃。
要求使用价格适当且质量稳定、使用期长、过滤风速较高的PTFE覆膜中碱玻纤布袋,保证不出现高温烧袋、不出现管道内温度过低内的气相二氧化硅的二次结晶堵管问题(不低于150℃),不设脱碳器和牛顿环分离器接口。
要求将引风机装在车间对面的山坡顶高位,并且高出烟囱的引风口4~6m,这样,引风机基本与除尘器顶等高(标高18m),其送风管与除尘器入口呈30度角,并在接口位置设置缓冲斗,降低除尘器负荷;
2.1.5受多种因素限制,引风机不采用变频调速控制技术,按第1条的要求实行远程控制。
由送电操作工按需调节风机的风门开度,按生产时的烟量大小进行调节,确保除尘效果前提下,能够安全、稳定、可靠运行,最主要是节能;
2.1.6清灰过程用西门子PLC-300自动控制,人机界面装在主控制台上;
2.2设计依据
2.2.1《工业窑炉大气污染物排放标准》(GB9078-1996);
2.2.2《清洁生产标准钢铁行业(铁合金)》(HJ470-2009);
2.2.3《工业企业厂界环境噪声排放标准》(GB12348-2008);
2.2.4《工业企业噪声控制设计规范》(GBJ87-1985);
2.2.5《钢结构设计规范》(GB50017-2003);
2.2.6《机械设备安装工程施工及验收通用规范》(GB50231—1998);
2.2.7《袋式除尘器用滤料及滤袋技术条件》(GB12625-90);
2.2.8《工业企业设计卫生标准》(GBZ1-2002);
2.2.9《袋式除尘器技术要求》(GB/T6719-2009);
2.2.10业主提供的相关资料及现场踏勘数据;
2.3设计范围
设计范围为:
将业主原有的1台6300KVA敞开式高烟罩工业硅炉除尘系统技改成1台12500KVA半封闭式高烟罩工业硅炉除尘系统。
经过设计,使之与生产最大负荷12000KVA配套,并留适当余量。
新的除尘系统配置包括:
列管式空气冷却器(管径600~950,有防尘防沉和防烟气急冷二次结晶功能)、除尘器(含主体、布袋)、引风机(含角位行程开关等)、风机远程控制系统(含启动控制、气动清灰控制、西门子PLC人机界面、)、管网与支撑、阀门等。
本工程的具体设计范围:
起于烟囱引风口(含该位置的三通阀门,电动自动控制,有角位行程开头,控制源放在PLC人机界机内)、止于除尘器排气口和出灰口。
房体要求密封设计,轻钢主体、平顶,留环保监测孔。
炉子烟罩技改、安装和施工时,该公司要求我公司提供1个技术员现场指导,协助烟罩和烟囱的技改,技术费用按1万元/月计算,技术员现场设计和指导的食宿等开支全部由该公司承担。
3.工业硅炉烟尘特性
3.1烟尘成份与粒径分布
根据同类工程的成功案例的环保监测数据资料分析,半封闭式高烟罩工业硅炉的烟尘,其主要成分和粒径分布如表3-1和表3-2所示。
表3-1粉尘的组成
成分
SiO2
C粉
焦油等
CaO
CO、SO2等
质量含量(%)
84
5.5
0.5
5.4
4.6
表3-2粉尘的粒径分布
粒径μm
﹥50
40~50
30~40
20~30
10~20
5~10
3~5
3﹤
质量含量(%)
10
5
8
20
35
15
5
2
3.2工业硅炉烟尘的理化特性
⑴12500KVA工业硅炉的烟尘量特别大(最高超过50万m3/h,刺火、投料、出料或异常时,其冲击负荷可达75万m3/h),而在正常生产时,烟尘量较低,烟气流量小于30万m3/h,甚至小于30万m3/h。
⑵工业硅炉烟尘排放的周期性和规律性较强,且烟尘浓度高时粉尘特别细,气相级的二氧化硅属于纳米级材料,其比表面积巨大,易吸湿、吸油。
而且当其温度低于120℃或突遇急冷时(喷淋雨水、冬天冷风吹、雪霜),容易在管内、风机叶轮上二次结晶或板结,堵塞管网或导致风机叶片失去动平衡。
而在布袋区要求其快速冷却,便于清灰,又能防止微细粉尘从布袋逃逸扩散。
硅尾粉在针刺毡类布袋上很容易板结且极难清理;
⑶烟气温度很高,半密封烟罩的排烟温度更高。
通常,在烟囱底部的集烟箱高达1000℃,到达烟囱的引风口位置(离集烟箱10米高)有800℃以上,很少低于600℃。
,由于烟罩内侧有耐火材料衬里,不会烧塌。
⑷烟尘具有二次燃烧性。
工业硅烟尘主要成份是二氧化硅(俗称硅微粉、硅尾粉、气相二氧化硅等)和未烧尽的炭粉、木粉、稻壳、木焦油、一氧化碳等,偶尔伴有微量还原成单质的硅、锰、镁、铝、磷等,均可在引风管道内或除尘室布袋内与氧气充分二次燃烧或微爆,因此,除尘前必须先冷却和灭火。
⑸烟尘具有二次结晶性,硅尾粉在230℃以上呈气态,不会结晶,可是,一旦温度低于120℃,会急剧结晶,并以极快的速度富集在低温区,很容易将杂质、水、油一起板结、结砣、堵塞管网而失去热交换能力(冷却器失效),或者粘在风机叶轮上,引起风机振动或引发事故。
工业硅烟气除尘在150~200℃比较好。
⑹硅尾粉粒径很小,属于纳米级粉体,穿透普通滤布的能力极强。
需要使用PTFE覆膜布袋,依靠膜的超微过滤能力和抗粘、自清洁能力解决问题。
⑺硅微粉纯度大于92%才有商业化价值。
⑻硅微粉堆密度约80~100kg/m3,比表面积5000~15000,容易吸水、吸油而变性、结砣,运输和贮存困难,大量存贮、长期存放、长途运输需要加密技术进行压缩。
经加密机加密后,硅微粉比重达800~1000kg/m3,纯度达92%以上的硅微粉属于精细化工产品或材料,主要供修建大型水坝、机场用,也是高标号抗渗水泥的助剂。
一般地,需要4台以上12500KVA工业硅炉才配1台加密机。
⑼硅微粉应用很广泛,但与纯度密切相关。
例如,纯度大于92%的硅微粉可作高标号水泥的防渗剂、增强剂、耐磨剂,或作为橡胶、塑料、油墨的补强剂、消光剂;纯度大于96%的硅微粉可作军事设施材料、机场、水电站、水坝、地铁、隧道等工程的防渗剂、耐磨剂和增强剂;纯度小于90%的硅微粉主要生产无定形耐火材料,价值很低。
3.3烟尘量跟烟罩和烟囱的设计有关
工业硅的生产工艺需要在出料后用捣料机捣炉,以确保炉膛内硅石、木材、油焦等原料不结皮,便于物料流动和加料,不至于烧成碳化硅。
因此,工业硅炉很难设计成全封闭式的,目前多采用半密封式炉,以减少排尘量,生产更节能。
烟罩有高烟罩和矮烟罩2种。
业主拟在旧址上重建和技改,又要最大限度地利用原主体厂房,也只能设计成半密封式高烟罩。
环保执法越来越严,排污成本越来越高,但是,目前的硅尾粉行情不好,因此,业主暂不考虑硅微粉的回收与经济效益,不设计脱碳器和分离器,进一步减少引风机负荷,降低环保运行电费。
经计算,业主的12500KVA工业硅炉按现场条件,炉膛最大直径Φ12m,内空最大Φ9.8m。
根据炉膛直径,集烟箱需要放大近1倍,内用耐火材料砌好。
新的集烟箱:
内净空要求弧长3.2m、高2.8m、宽2.2m,对称分布,共2个,避免电排、冷却水管和三个捣炉工作的干扰。
为了便于操作工观察,方便捣炉,烟罩、炉膛内均用耐火砖砌好,适当密封,即半密封烟罩,不是敞开式罩。
门为保温材料夹心板材制造,内层为防火的发泡铝硅酸盐板或发泡硅酸镁板。
极靶、水管排的升降位置必须空着,不能密封,又不能加装二次烟罩,拟在其适当位置和范围内垂挂防火高密度耐火板条,并增设单侧鼓风槽,将冲出的烟尘导向二楼的副烟罩中。
经计算,本工程12500KVA半封闭式高烟罩工业硅炉的烟尘流量按30~55万m3/h设计,引风机压力2000~3000Pa,进风管2根,直径1.9,用6米*1.5米*5毫米Q235钢板制作,适当位置加冷风安全阀门(PLC电动控制、温度探头采集数据)这,进风管向上斜走45度,距离引风口管程有50米,出口管径相同,向下呈30~75度鼓风进入除尘器,管程约10米。
冷却器用直径600,厚3Q235板制作,每根引风管配套6根冷却管,上下用箱体统一集合,下部配套出灰斗与阀门。
按此配套布袋过滤面积15000m2。
4.设计参数及治理目标
4.1设计参数
炉子规格:
半密封式高烟罩型12500KVA工业硅炉1台。
工业硅产量:
10000t/a,每天产能按25~30吨计算。
烟气量:
30万~55万m3/h(含清灰流量)。
烟尘温度:
按引风口≤800℃设计。
工业硅炉的排尘总量:
按平均1t/h计算(即3吨原料炼0.8吨工业硅,产生1吨粉尘与渣,排气1吨)。
含尘浓度:
按≤200g/m3设计。
相对湿度:
通常≤8%。
连续年作业:
按200天计。
4.2治理目标
经治理后,烟尘排放浓度达到《工业窑炉大气污染物排放标准》(GB9078-1996)和《清洁生产标准钢铁行业》(铁合金)HJ470-2009的要求,本方案按排放浓度<50mg/m3设计,除尘器粉尘回收效率>99%,回收的硅微粉纯度不作要求,基本实现生产操作区和电极平台上无明显的烟尘扩散。
4.3除尘系统的工作原理
根据工业硅炉的烟尘特点,以及以往的同类工程的成功经验,本工程选择正压反吸式除尘器。
经计算,可保留原有除尘器的3600m2布袋过滤面积,主体加固加高,布袋更换成PTFE覆膜袋(旧袋寿命已过期),对其除尘器阀门、管网、灰斗、下灰器、控制系统、执行机构等进行技改。
新增12个室的正压反吸式大布袋除尘器,采用西门子PLC-200控制板控制整个系统,增加人机界面,配套列管式空气冷却器2组。
除尘器的工作原理:
利用PTFE的超微过滤能力和自清洁能力(不粘灰),在滤袋内表面进行过滤,过滤后的干净气体直接排空。
随着过滤不断进行,滤袋内表面的粉尘越积越多,滤袋的透气率急骤下降,阻力不断升高,当设备阻力达到PLC规定值或限定时间后,自动清理滤袋内表面粉尘,即清灰。
在PLC控制下,通过切换送风阀和反吸阀实现自动清灰,在反吸风的作用下抖动滤袋,由于PTFE具有不粘性,袋内的硅微粉膜层裂成小块掉入灰斗,扬尘被反吸风管抽出再送到其他过滤室进行二次处理。
经过清灰后的滤袋,其透气性得到再生,重新参与除尘,周而复始。
4.4除尘系统注意事项
高烟罩型工业硅炉常在烟罩顶装水冷却炉膛,需要注意除尘引风导致的炉顶集热的安全设计,需要进行热工计算,避免意外事故发生。
需要考虑工期与技改工程困难的矛盾统一性,事先想好,规划到位,避免越改越多越麻烦,引起不必要的损失。
热工计算必须严格、仔细,避免炉膛、烟罩烧红而软、塌。
4.5正压反吸式除尘器的主要特点
⑴对硅微粉的除尘效率高,超过99%。
使用PTFE覆膜滤袋可处理1微米以上粉尘,非常适合工业硅炉除尘。
⑵除尘系统的适应性强,对烟尘量大、粉尘浓度高的冲击适应性好,净化效率高,运行阻力低,非常节能。
⑶引风机流量高达55万m3/h,但电机功率仅400KW,平均运营电耗200度。
⑷烟尘处理成本低,每1万m3烟尘的综合处理成本仅5元。
⑸除尘器的过滤风速按0.7m/min设计,最大冲击负荷1.0m/min。
布袋长径比高达30,布袋长10.2米直径300。
布袋设计使用寿命2年,质保期1年。
布袋厚度0.6,覆膜后厚0.8。
⑹除尘器整体外形尺寸(含新旧除尘器):
长×宽×高=36米×8米×18米(H=6+10.2+1.8),冷却器占地面积:
长×宽=8米×4米。
风机占地面积:
长×宽=8米×6米,含风机基础、现场控制房等。
冷却器和风机用地不在除尘器范围内,放在山坡位置,充分利用烟气热升空的自然动能做功。
4.6除尘系统的工艺流程
1×12500KVA工业硅炉除尘系统的工艺流程如下:
半封闭式工业硅炉直排烟囱三通阀引风口空冷器
引风机正压反吸式除尘器烟气达标排放回收硅微粉
清灰系统的工艺控制流程:
PLC控制板(总控制室人机界面)
小型空压机SMC执行器送风阀与反吹阀清灰
引风机负荷与温度监控探头采集信号PLC控制远程控制电动执行器角位行程开头调节角度
5.主要设备选型及参数
⑴正压反吸式除尘器:
22室(原10室,新增12室)1台
(需各种Q235型材、板材共45吨,详见设计图纸与清单)
⑵烟囱直排阀:
DN2000,电动2套
⑶流量阀:
DN2000,电动执行器2套
⑷引风管:
DN2000,共60米,含支撑2套
⑸三通引风阀:
DN2000,电动执行器2套
(需各种Q235型材、板材共15吨,详见设计图纸与清单)
⑹列管式空冷器:
含支撑等,冷却面积300m2共2台
(需各种Q235型材、板材共8吨,详见设计图纸与清单)
⑺引风机:
Y4-2×73-22D-N400-左18001台
Y4-2×73NO22D730r/min
序号
压力pa
流量
M3/h
效率
%
轴功率
KW
理论功率
KW
所须功率
KW
1
2471
354000
83.7
288
288
300
Y450-8400KW380V
2
2471
398000
88.5
310
326
350
3
2442
440000
91.2
330
336
350
4
2383
484000
92.5
348
356
380
5
2295
528000
93.0
360
368
398
6
2138
572000
90.5
370
378
408
电动执行器6100型
7
1952
616000
87.2
380
388
418
8
1746
664000
84.0
380
388
418
⑻集烟罩、副烟罩等烟罩改造
需各种Q235型材、板材共3吨,详见设计图纸与清单。
⑼PTFE覆膜布袋及附件:
PSI-W600φ300×10200共12000条/套
⑽引风机启动控制柜:
380V-400KW1台
⑾电动执行器及远程操作器:
6100型1套
(含伺伏器、放大器、操作器、角位行程开并、电动执行器等)
⑿西门子PLC-200控制系统:
1套
⒀反吸风管:
DN600,板厚3,共60m1套
⒁反吸风阀:
DN600共24个
⒂送风阀:
DN600共24个
⒃空压机:
1.2m3/8kgf/7.5KW共1台
⒄SC执行器:
SC100-150共48套
⒅双层下灰阀:
400×400×600共30套(含冷却器用阀)
引风机的工作电压380V50Hz,其他附件工作电压为220V50Hz。
6.主要经济技术指标
序号
项目
指标
1
主引风量
55万m3/h
2
除尘器占地面积
L×B=36×8m(高18米)
3
冷却器(高12米)和风机房(高4米)占地面积
L×B=12×6m,放在对面山坡上
4
烟气工作温度
150~200℃
5
设计运行时间
≥300d/a
6
过滤面积
≥15000m2
7
过滤风速
≤0.80m/min
8
进气口烟尘浓度
≤15g/Nm3
9
除尘效率
≥99%
10
排放口烟尘浓度
≤50mg/Nm3
11
烟尘减排量
10000吨/年(与产品基本等重)
12
动力规格
380V-400KW-50Hz,变压器500KVA
13
系统运行环境温度
-5℃~60℃
14
系统运行环境相对湿度
≤90%
15
总装机容量
400+7.5=407.5kw
16
平均运行电耗
约200度电
7.投资估算
投资估算如下:
各种钢材71吨*5000元/吨35.5万
风机及其控制系统36万
基础工程3万
制作费用18万(工期60天,不含税)
设计费*5万
环境工程乙级证资费*3万
SMC系统*1万
PLC系统*5万
布袋系统1600套*24万
运输等*1万
技术指导费3万
税收(工程服务税6%)*2.5万
总投资(含全部开支):
137万元。
8.运行费用
本工程总装机容量407.5kw,主引风机的电机功率400KW,电机轴功率360KW为启
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