CN203529930U - 一种可稳定提供富氧纯度或富氧流量的膜分离供氧系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于空气分离技术领域，具体涉及一种膜分离供氧系统。本实用新型是在现有膜分离供氧系统的基础上，增加一个与真空泵并联的调节回路，连续监测真空泵入口的压力；当温度降低时，可通过调节回路引入外部空气或循环返回真空泵出口的富氧，以调整真空泵入口的真空度，进而调整膜分离器跨膜压力比，从而取得稳定纯度或稳定流量的富氧；当温度升高时，可通过此调节回路放空；系统正常运行时，也可通过此调节回路实现低负荷启动，避免真空泵过流以稳定运行。本实用新型可有效的避免膜分离过程因应用环境温度变化而导致制取的富氧组分或流量的波动，从而使膜分离系统在较低制造成本下为炉窑富氧助燃提供稳定纯度或者稳定流量的富氧。

Description

一种可稳定提供富氧纯度或富氧流量的膜分离供氧系统

技术领域

本实用新型属于空气分离技术领域，具体涉及一种膜分离供氧系统。 

背景技术

膜法富氧技术是自70年代末逐渐发展起来的一种新分离方法，它利用有机高分子致密薄膜对氮、氧的选择透过性差异，当在膜两侧存在压力差或者压力比时，混合气体中渗透速率快的气体如水蒸汽、氢气、氦气、氧气、二氧化碳等透过膜后在膜的低压侧富集成为富氧空气（视膜材料的氧氮分离系数不同，单级分离可获得纯度约为23-60%的富氧），而渗透速率相对慢的气体如氮气、氩气、甲烷和一氧化碳等在膜的滞留侧被富集为贫氧(或富氮)空气；膜分离方法为富氧提取开辟了一条新途径，因它在分离浓缩的全过程中不存在相变，常温分离，尤其以板式膜构建的负压流程分离系统，具有设备简单、制造成本低、能源消耗小、产量可调节、启动迅速、操作简便、系统静态运行、可靠性高等突出优点，是一种经济的分离方法，目前，采用膜分离方法制取富氧已广泛应用于富氧助燃、富氧通风、水处理等领域，尤其针对玻璃、冶金、水泥回转窑、工业锅炉等等热能工程领域的富氧助燃。 

单就空气组分膜分离制氧过程来说，一旦选型确定了膜分离材料、膜材料的分离面积以及动力设备之后，因分离材料的本征性能、动力设备的能力已确定，膜分离过程自空气中获得的氧气组分与流量的稳定性主要与被分离的进料空气的温度有关。针对一个有可能应用于各种环境温度条件下的富氧助燃系统，不同安装应用场合的环境温度会有所不同，甚至同一地点因季节的变化引起环境温度的差异。因此，为炉窑富氧助燃提供氧气的膜分离系统会因不同地点、不同季节、甚至早中晚间被分离空气温度的变化而导致分离出来的富氧空气的流量、氧纯度产生巨大的波动。由于膜分离提供富氧空气系统的流量、氧气纯度的稳定直接决定了富氧助燃过程的效果以及炉窑热工系统调节的方便性，所以，从某种意义上说，如果不能提供稳定纯度或稳定流量的富氧，以这种分离方法的富氧助燃系统的应用将受到严重的制约。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种为终端用氧点提供稳定纯度的富氧或者稳定流量的富氧的膜分离供氧系统。 

本实用新型提供膜分离供氧系统，有别于现有技术的简单膜分离过程，具体是在现有膜分离供氧系统的基础上，增加一个与真空泵并联的调节回路，连续监测真空泵入口的压力；当温度降低时，可通过调节回路，引入外部空气或循环返回真空泵出口的富氧，以调整真空泵入口的真空度，进而调整膜分离器跨膜压力比，从而取得稳定纯度或稳定流量的富氧；当温度升高时，可通过此调节回路放空；系统正常运行时，也可通过此调节回路实现低负荷启动，避免真空泵过流以稳定运行。 

本实用新型的膜分离供氧系统，如图2所示，是在现有膜分离供氧系统的基础上，增加一个与真空泵并联的调节回路，具体包括： 

（1）优选但非必要的至少一个过滤器AF01；

（2）至少一个升压设备AB01，用以将原料气升压到一定的压力；该升压设备也可放置在膜分离器之后，用以排除废气；

（3）至少一组膜分离器M0n （n=1，2，…N，N至少为1），多组膜分离器时，各组膜分离器并联连接；

（4）优选但非必要的至少一组调节阀门V0n1、V0n2，n=1，2，…N，N至少为1，当环境温度过高时，用于切换、隔离、调节进入膜分离器M0n的待分离空气以及自膜分离器渗透侧进入真空泵的流量；

（5）优选但非必要的一个压力监测设备PE01，用以监测真空泵入口压力；

（6）至少一个抽真空设备AB02，用以建立膜分离器两侧跨膜压力比； 

（7）至少一个与真空泵并联的调节回路，该调节回路由3个调节阀V101，V102， V103组成，如流程图连接方法，其中，第二调节阀V102可自系统外部引入空气至真空泵入口，第一调节阀V101可将真空泵出口的富氧空气循环引入真空入口，第三调节阀V103可将系统内部即真空泵出口的富氧空气引出至系统外部（排空），第二调节阀V102与第一调节阀V101的连接点接入真空泵入口，第一调节阀V101与第三调节阀V103的连接点接入真空泵的出口；

（8）优选但非必要包括以压力监测设备PE01监测到的真空泵入口压力反馈控制调节阀V101，V102，V103开度的控制与执行机构；

（9）如公知技术，系统还需包含必要的控制组件，以使的系统动力设备能够运行，控制阀门能够按照要求进行切换等。

本实用新型中，所述的用于切换、隔离、调节进入膜分离器M0n的调节阀门为手动或自动控制调节的截止阀、蝶阀或闸阀。

本实用新型中，所述的组成调节回路3个调节阀V101，V102，V103为手动或自动控制调节的截止阀、蝶阀或闸阀。

本实用新型可应对环境温度变化而至少保证膜分离制氧可提供稳定纯度或者稳定流量的富氧，可有效的避免膜分离过程因应用环境温度变化而导致制取的富氧组分或流量的波动，从而使得以膜分离系统在较低制造成本为炉窑富氧助燃提供稳定纯度或者稳定流量的氧化剂进行富氧助燃。 

附图说明

图1为现有的膜分离供氧系统图示。 

图2为本实用新型膜分离供氧系统图示。 

图中标号：AF01是空气过滤器，V0n1、V0n2是阀门，V101、V102、V103是调节阀，AB01、AB02是升压设备，PE01是压力监测设备，M01～M0N是膜分离器，A0是膜分离器的原料侧入口也即空气入口，A1是滞留气出口也即废气排除口，A2是膜分离器负压侧也即渗透侧出口，即富氧空气出口。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，比较本实用新型与现有技术的不同，并进一步描述本实用新型。 

附图中: 

AF01，是空气过滤器，可以是各种形式的过滤器，包括纤维形式、滤料形式、袋式过滤，优选采用可自清洁形式或者各种组合形式的过滤器，用于过滤、清洁进入膜分离器的原料空气，保证膜分离器对原料空气的清洁度要求。

V0n1，V0n2是阀门，可以是各种形式的阀门，如各种手动、自动控制、调节的截止阀、蝶阀、闸阀等，优选采用各种形式的自动调节阀，可以是气动的、电动的、液动的，用于切换、隔离、调节进入膜分离器的待分离空气以及自膜分离器渗透侧进入真空泵的流量，其中，如果是自动调节阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭以及按照监测的温度进行流量、纯度控制调节，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动阀。 

V101、V102、V103，是调节阀，V101、V102用于调节真空泵前的负压，调节阀V102用于补偿正常大气进入真空泵入口，调节阀V101用于将真空泵后输出的富氧循环返回真空泵入口，这些阀门可以是各种形式的阀门，如各种手动、自动控制调节的截止阀、蝶阀、闸阀等，优选采用各种形式的自动调节阀，可以是气动的、电动的、液动的，它们可根据预先设定的逻辑，如按照监测的温度进行控制调节，也可按照监测真空泵前的压力进行调节，V103用于当真空泵超压时放空，V102也可作为真空泵低负荷启动时的开启阀。 

AB01，AB02，是升压设备，可以是各种形式的压缩设备，如活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环等等压缩形式，将气体升压到适当的压力，AB01用于将待分离组分升压到进入分离器所需的分离压力，AB02用于将膜分离器负压侧减压至分离器所需的分离压力并克服后续流体输送的阻力。 

PE01，是压力监测设备，用于监测真空泵入口的压力，可安装在一切可以实时反映进入真空泵气体压力的任意位置，可以是压敏或其它任意形式的压力监测设备。 

M01~M0N，是膜分离器，可以是板式膜，卷式膜，中空纤维膜，其中，A0是膜分离器的原料侧入口也即空气入口，A1是滞留气出口也即废气排除口，A2是膜分离器负压侧也即渗透侧出口，富氧空气出口。 

为方便解释膜分离过程的膜分离器与膜分离制氧，如附图1所示，释义如下： 

如附图1所示的M01~M0N是一种3口薄膜分离器，每个薄膜分离器至少由1个原料气入口A0，1个滞留气出口A1， 1个渗透气出口A2组成，膜分离器中的膜分离材料至少分成了两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧；

如附图1所示是现有技术以膜法富氧技术为炉窑富氧助燃提供氧化剂的过程，其中，气体经过AF01过滤掉灰尘等杂质后经AB01升压后自膜分离器的A0入口进入膜分离器的正压侧，在膜分离器内，气体经过膜分离后一部分渗透到低压侧、渗透侧富集成富氧自A2输出，另外一部分富集了难以渗透的贫氧富氮气体则自滞留侧出口A1被排除出膜分离器，针对自空气中分离富氧的膜分离过程，一般的，膜分离制取氧气的纯度与膜分离材料的氧氮分离系数（称为阿尔法值）、气体通过膜分离器正压侧与负压侧的绝对压力比（称为分离压力比）以及原料气和富氧产品气之比（称为空氧比）有关，氧氮分离系数越高，意味着可在更低的分离压力比以及更小的空氧比下分离出更高纯度的富氧气体，针对相同的膜分离材料，分离压力比越高，可以获得更高纯度的富氧，空氧比越大，可以获得更高纯度的富氧，而另一方面，膜分离制取富氧的流量即膜分离材料的渗透量，主要与原料气体的温度以及压力有关，针对相同的膜分离材料，分离温度越高，渗透量越大，分离压力越高，渗透量越大；

一个典型的如采用卷式或板式的分离器进行的膜分离过程中，AB01主要以满足提供新鲜空气为主要目的，克服流体输送的阻力，典型的，采用卷式膜分离器，升压1～10KPa，优选的，建立2～5KPa的风压以克服卷式膜本身具有的气体流通阻力，而采用板式膜，甚至仅需建立数十到几百帕的风压，更有将AB01放置在板式膜之后作为废气排放风机的做法，目的也仅仅是为了克服原料空气进入膜分离器的阻力以不断的提供新鲜空气的目的，为避免浓差极化现象，通俗的说即是需要时刻满足分离所需的新鲜空气，AB01的风量视分离材料的阿尔法值以及所需的富氧纯度要求，典型的，如以阿尔法值2～3的膜分离材料做成的卷式膜、板式膜，为了获得30%左右的富氧，典型的，经AB01进入膜分离器M01~M0N所需的风量大约为富氧空气流量的8～20倍，更典型的，为所需富氧流量的10～15倍；同时，AB02则主要以满足分离所需的压力比为主要目的，即建立起膜两侧的分离压力比为2～10，更典型的，在采用分离材料的阿尔法值在2～3的膜分离材料做成的卷式膜、板式膜，在所需富氧纯度为30%左右时，约需建立起膜两侧的分离压力比为4左右，即，如膜的正压侧压力为1～5KPa的风压，绝压为大气压（101.325KPa）+(1～5KPa)，则负压侧应建立大约25Kpa（相当于-75KPa表压的真空度）的绝压，这样，分离压力比为【101.325+(2～5KPa)】/25≌4倍，可获得约30%的富氧纯度；

如附图1，参照上述，本专业的技术人员会了解，原料气经AB01进入M01~M0N分离出的废气自A1排除，富氧经AB02收集送入用气点，为了获得稳定的氧气纯度、氧气流量，这一过程中因选型确定了AB01的风量、风压， AB02的风量、风压，也选型确定了膜分离器M01~M0N，其分离材料的氧氮分离系数以及分离面积均已确定，当应用环境温度变化时，将按照下述趋势发生变化：

1、环境温度升高时，进入膜分离器的温度升高，针对确定面积与材料本证特性的膜分离器其渗透量将加大，同时，分离温度的升高，还将导致分离系数的下降，更为重要的是，因为渗透量的加大，将直接导致设置的真空泵AB02的抽速不能满足抽取到预定的分离压力，这都将导致分离出来的富氧纯度的降低，同时，分离出来的富氧流量将上升；

2、环境温度下降时，进入膜分离器的温度下降，针对确定面积与材料本证特性的膜分离器其渗透量将减小，同时，分离温度的上升，还将导致分离系数的上升，更为重要的是，因为渗透量的减小，将直接导致设置的真空泵AB02的抽速过大，直至超过预定的分离压力，这都将导致分离出来的富氧纯度的上升，同时，分离出来的富氧流量将下降；

以上，因为环境温度的改变将直接导致为富氧助燃系统提供氧化剂的膜分离系统制取的富氧流量或富氧纯度均产生大幅的波动，不利于进行富氧助燃；

本实用新型提供的膜分离供氧系统如图2所示。与原有技术不同，本实用新型通过与真空泵并联的一个调节回路，连续监测真空泵入口的压力，当环境温度降低时，通过调整该回路上的调节阀，如以补充的外部空气或者循环返回的富氧对真空泵的入口压力进行补偿，间接调整了跨膜压力比，从而可获得稳定的富氧纯度或者稳定的富氧流量；当环境温度升高时，通过调整该回路上的调节阀，将多余的富氧放空，从而可将因为温度变化导致纯度或流量的波动消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内。

如附图2，通过与真空泵并联的一个调节回路，可进行真空泵入口压力补偿，通过调整该调节回路上的V102、V101调节阀，可间接调整膜分离系统跨膜压力比，以一个按照4倍压力比设计的膜分离系统（原可产生约30%纯度的富氧空气）为例，在其它分离条件都不变的情况下，如典型的，AB01的风量、风压，AB02的抽速、真空度，膜分离器的分离材料确定以及分离面积确定，在前面这些条件都确定的条件下，本实用新型因设计了该调节回路，可避免膜分离系统因环境温度变化（不同安装应用场合的环境温度不同，甚至同一地点因春夏秋冬、早中晚的环境温度不同）导致的富氧空气的流量、氧纯度产生巨大的变化，将这种变化消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内，至少可以降低了纯度但可稳定的富氧流量或者降低了流量但可稳定纯度的富氧空气输出，具体操作如下： 

（1）原料空气经过滤器AF01，将气体中含有的灰尘等微粒性杂质截留后进入后级分离系统，该过滤器如公知技术所描述的一样，可以是任意形式的过滤器，包括可以采用复合方法、自清洁形式的过滤器；

（2）气体经过滤后送入升压设备AB01，升压设备AB01将空气升压至至少可克服膜分离器高压侧阻力的压力后进入膜分离器，膜分离器可分组成n组，均匀接受原料空气， n组并联的膜分离器的渗透侧接真空泵，自真空泵出口输出富氧空气，膜分离器可采用阀门V0n1、V0n2隔离；

（3）典型的，当运行环境温度低，如在冬天运行或者晚间温度较正常设计温度低时，如温度降至冰点，此时，通常因进气温度低，膜的渗透量大幅降低，如对系统不做任何改变，真空泵入口的真空度会持续上升，这将导致真空泵过流，系统将因保护而停机，这对一个炉窑富氧助燃系统来说显然是不合适的；

此时，如果窑炉需要或者说可接受稳定的流量，但允许更低的富氧纯度，那么，可通过打开V102调节阀至一定开度，通过引入一部分正常空气（含氧约21%），以维持真空泵的入口压力，可保持真空泵出口的富氧流量基本不变而仅仅是纯度降低；

此时，如果窑炉需要或者说可接受稳定的纯度，但允许更低的流量的富氧，那么，可通过打开V101调节阀至一定开度，通过引入真空泵泵出口的富氧（含氧约30%）以维持真空泵的入口压力，可保持真空泵出口的富氧纯度基本不变而仅仅是出口流量下降；

（4）典型的，当运行环境温度高时，如在夏天运行或者中午温度较正常设计温度高时，如温度升至45℃，此时，通常因进气温度高，膜的渗透量大幅增加，真空泵入口的真空度会持续下降，真空泵出口将排出更低纯度但流量更大的富氧，如果不加以任何改变，这将导致后续用气点压力持续上升而导致真空泵背压过大而过流，系统也将因保护而停机，这对一个炉窑富氧助燃系统来说显然是不合适的，此时，通过V103调节阀将富氧排空，可维持真空泵的连续运转，稳定的供给后续用气点稳定流量而纯度降低的富氧；

（5）在真空泵启动、停机，或正常运行过程中如因客户用气量减少等情况时，也可通过上述调节回路从容避免负荷过重、过流甚至导致意外、频繁停机等情况，典型的，如真空启动时，可通过打开V102、V103，开通真空泵的旁路，避免启动负荷过重，停机也然；在遭受客户临时用气量减少时，可通过该回路打开V101循环返回，或者直接打开V103放空，从而可以避免临时过流、甚至停机。

本实用新型通过与真空泵并联的一个调节回路，还可通过连续监测真空泵入口的压力进行自动调节，当环境温度降低至较设计值低时，通过自动调整该回路上的调节阀，如以空气或者循环返回的富氧对真空泵的入口压力进行补偿，间接调整了跨膜压力比，从而可获得稳定的富氧纯度或者稳定的富氧流量；当环境温度升高至较设计值高时，通过调整该回路上的调节阀，将系统内的多余气体引出至系统外部排空，从而可将因为温度变化导致纯度或流量的波动消除或者减轻到符合富氧助燃要求的范围内，保持真空泵运行的稳定。 

并且，可通过本设计的回路，在真空泵启动时，可通过打开V102，V103形成的回路，使真空泵启动的负荷降低，在后续终端用气点用气量变化时，也可通过本实用新型的方法使得获取的富氧空气的纯度或者流量相对现有技术来说更为稳定，尤其在环境温度变化时较为稳定，使动力设备运行平稳，而且，本实用新型的方法以相对廉价的建造成本解决了以膜分离方法提供富氧燃烧所需氧化剂的关键技术问题，增强了系统的稳定性，提高系统运行的总效率。 

本实用新型优先应用于空气组分膜分离过程为炉窑富氧助燃提供氧化剂，但是所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合。通过本实用新型的方法可以实现分离的典型实例包括氧气/氮气的分离、气体干燥、二氧化碳/甲烷的分离、二氧化碳/氮气的分离、氢气/氮气的分离和烯烃/烷烃的分离。 

本文所说的分离系数，如氧氮分离系数，其一般定义为： 

α(阿尔法)值，氧氮分离系数=（Q_N2/Q_O2）

式中Q_N2和Q_O2分别为单位时间、压力下纯组分氮气和氧气通过特定膜材料的渗透量。

具体实例：

一个采用上海偲达弗材料科技有限公司膜分离材料生产的板式膜分离器，设计单组件富氧流量5000Nm³/hr，可由市售获得，该分离器采用的氧氮分离膜材料在25℃条件下的分离系数为2.044，氧气渗透量为5.068 Nm³/hr·bar·m²，氮气渗透量为2.479 Nm3/hr·bar·m²，5000Nm³/hr.单组件分离器总共采用了1381.1 m²膜材料，设计选型了一套25℃下21352.9 Nm³/hr抽速的真空泵，在25℃条件下取得了29.61%纯度的富5256.2Nm³/hr，满足用户富氧燃烧的要求：

实际运行时，真空泵与分离器均不变的条件下，当环境温度达3℃条件时，因为温度下降，膜的渗透量大幅下降至4014.5 Nm³/hr，这将直接导致真空泵过流，系统停机，尽管该分离状况下分离压力比上升至4.6，富氧纯度可上升至31.44%，但因真空泵过流而将导致系统停机，不能满足用户富氧燃烧的要求： 

由上述可见，环境温度的变化导致了富氧流量5256.2-4014.5 =1241.7 Nm³/hr的减少，幅度达20%，由此可见对系统运行的影响之巨大，在这种极端天气条件将因为膜法富氧系统提供的氧化剂流量的巨大变化而严重影响助燃效果；

如此时采用本实用新型，通过打开V102，补充1241.7 Nm³/hr的氧气纯度为21%的空气，膜分离系统跨膜分离压力比仍然将降至4.2的下述条件下，可分离出纯度约30.90%的富氧。

在环境温度3.0℃时的下述条件下，单组件膜面积1381 m²氧气渗透量为4014.5 Nm³/hr。

因此，1241.7 Nm³/hr氧含量为21%的空气与4014.5 Nm³/hr含氧量30.90%的富氧空气混合可自真空泵出口输出5256.2 Nm³/hr含氧28.56%的富氧空气，流量稳定，纯度下降的不多，可基本满足用户富氧燃烧的要求。

同样的，如此时采用本实用新型，通过打开V101，循环返回如1241.7 Nm³/hr等至少一部分富氧，真空泵因获得一定的压力补偿而不至于过流，输出至客户端的氧气量是减少了，但纯度可调节到基本不变。 

上面所描述的实施方法仅阐述本实用新型的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本实用新型结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本实用新型的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本实用新型阐述的实质的其它变化也属于本实用新型的范畴，本实用新型的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。 

Claims (6)

1.一种膜分离供氧系统，具体包括：

（1）至少一个过滤器（AF01）；

（2）至少一个升压设备（AB01），用以将原料气升压到一定的压力；该升压设备放置在膜分离器之后，用以排除废气；

（3）至少一组膜分离器M0n ，n=1，2，…N，N至少为1，多组膜分离器时，各组膜分离器并联连接；

（4）至少一组调节阀门V0n1、V0n2，n=1，2，…N，N至少为1，当环境温度过高时，用于切换、隔离、调节进入膜分离器（M0n）的待分离空气以及自膜分离器渗透侧进入真空泵的流量；

（5）一个压力监测设备（PE01），用以监测真空泵入口压力；

（6）至少一个抽真空设备（AB02），用以建立膜分离器两侧跨膜压力比； 

其特征在于，还包括：

（7）至少一个与真空泵并联的调节回路，该调节回路由3个调节阀（V101，V102， V103）组成，其中，第二调节阀（V102）自系统外部引入空气至真空泵入口，第一调节阀（V101）将真空泵出口的富氧空气循环引入真空入口，第三调节阀（V103）将系统内部即真空泵出口的富氧空气引出至系统外部，第二调节阀（V102）与第一调节阀（V101）的连接点接入真空泵入口，第一调节阀（V101）与第三调节阀（V103）的连接点接入真空泵的出口；

（8）以压力监测设备（PE01）监测到的真空泵入口压力反馈控制调节阀（V101、V102、V103）开度的控制与执行机构。

2.根据权利要求1所述的膜分离供氧系统，其特征在于，所述的用于切换、隔离、调节进入膜分离器（M0n）的调节阀门为手动或自动控制调节的截止阀、蝶阀或闸阀。

3.根据权利要求1所述的膜分离供氧系统，其特征在于，所述的组成调节回路3个调节阀（V101，V102， V103）为手动或自动控制调节的截止阀、蝶阀或闸阀。

4.根据权利要求1所述的膜分离供氧系统，其特征在于，所述的升压设备是活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨或液环压缩形式的压缩设备。

5.根据权利要求1所述的膜分离供氧系统，其特征在于，所述的压力监测设备是压敏式压力监测设备。

6.根据权利要求1所述的膜分离供氧系统，其特征在于，所述的膜分离器为板式膜、卷式膜或中空纤维膜形式。

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