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DE2926278C2 - Verfahren zum Betreiben eines Brenners und Brenner zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Brenners und Brenner zur Durchführung des Verfahrens

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DE2926278C2
DE2926278C2 DE2926278A DE2926278A DE2926278C2 DE 2926278 C2 DE2926278 C2 DE 2926278C2 DE 2926278 A DE2926278 A DE 2926278A DE 2926278 A DE2926278 A DE 2926278A DE 2926278 C2 DE2926278 C2 DE 2926278C2
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Germany
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burner
flame
combustion
air
fuel
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DE2926278A
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Detlef Dr.-Ing. 4270 Dorsten Altemark
Hans Dipl.-Ing. 4300 Essen Sommers
Manfred 4328 Haltern Weid
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EOn Ruhrgas AG
Original Assignee
Ruhrgas AG
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Publication date
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners unter normalem oder erhöhtem Druck bei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung schadstoffarmer Abgase, wobei dem Brenner ein gasförmiger oder bei Normaltemperatur flüssiger, vor der Verbrennung vollständig verdampfter Brennstoff sowie Verbrennungsluft und Kühlgas zugeführt werden. Die Erfindung richtet sich ferner auf die Schaffung eines Brenners zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • Bei der Verbrennung gasförmiger und flüssiger Brennstoffe entstehen als Schadstoffe im Abgas u. a. die Stickstoffoxide NO und NO2, zusammengefaßt als NO x bezeichnet. Diese Schadstoffe verunreinigen die Luft und können sich bei manchen Feuerungen negativ auf das im Ofen befindliche bzw. mit den Brennerabgasen in Berührung kommende Gut auswirken. Daher ist man bestrebt, den NO x -Gehalt im Abgas möglichst gering zu halten. Die Ursachen der NO x -Bildung sind bekannt, und es sind auch mehrere Maßnahmen zur Verminderung des NO x -Gehaltes im Abgas aus der Veröffentlichung "Überprüfung der Wirksamkeit verschiedener Verfahren zur Verminderung der Stickstoffoxidemission von Gasbrennern kleiner Leistung", gas wärme international, Band 27 (1978), Heft 11, bekannt, z. B.
    • - Absenkung der Verbrennungstemperatur durch direkte Flammenkühlung, z. B. Wassereinspritzung oder gekühlte Brennflächen
    • - zwei oder mehrstufige Verbrennung
    • - Abgasrezirkulation; Vorbeiführen der Abgase an der Flamme durch Rückführungskanäle oder spezielle Brennerkonstruktionen
    • - überstöchiometrische Verbrennung.

  • Trotzdem ist bisher kein Brenner hoher Leistung für Industrie oder Gewerbe bekannt, der einen extrem niedrigen NO x -Gehalt im Abgas aufweist.
  • Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (DE-AS 21 50 112) tritt der gasförmige Brennstoff, dem Verdünnungsgas zugesetzt sein kann, radial aus dem Brenner aus und gelangt sodann in Berührung mit der gesondert zugeführten Verbrennungsluft. Es bildet sich eine hohlkegelförmige Flamme, die gekühlt wird, und zwar auf der Außenfläche durch seitlich in die Brennkammer eingeführte Luft und auf der Innenfläche durch zentral aus dem Brenner austretendes Kühlgas. Es hat sich herausgestellt, daß auch hier die Verbrennungsprodukte nicht NO x -arm sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den NO x -Gehalt im Abgas bis auf einen extrem niedrigen Wert zu senken, und zwar unter gleichzeitiger Erzielung hoher spezifischer Brennerleistung und niedriger sonstiger Schadstoffemission.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die drei Verbrennungskomponenten, nämlich gasförmiger Brennstoff, Verbrennungsluft und Kühlgas, homogen vorgemischt. Daraus resultiert eine sehr gleichmäßige Verbrennungstemperatur. Es ergeben sich also keine Temperaturspitzen, die die NO x -Bildung fördern, und auch keine Temperaturtäler, die eine unvollständige Verbrennung hervorrufen. Insoweit liegen also die Verhältnisse wesentlich günstiger als bei dem Mündungsmischer der eingangs genannten Art.
  • Die dort vorgeschriebene Flammenkühlung kann wegen der vorhandenen Temperaturtäler nur begrenzt wirksam werden und dementsprechend die mittlere Flammentemperatur auch nicht wesentlich absenken. Erfindungsgemäß wird ein völlig anderer Weg beschritten. Die Flamme wird bis zu ihrem vollständigen Ausbrand adiabat abgeschirmt. Daraus resultiert eine homogene Flammentemperatur, die durch entsprechende Kühlgasbeigabe extrem niedrig eingestellt werden kann.
  • Die Kühlgasbeigabe erhöht den Gesamtdurchsatz durch den Brenner. Dementsprechend erfolgt die Verbrennung in einer Hauptflamme, welche von seitlichen Stützflammen gehalten wird. Letztere bewirken ein ständiges Nachzünden der Hauptflamme. Eine derartige Verbrennung ist bekannt (DE-GM 19 77 410). Dort handelt es sich allerdings um einen Laborbrenner mit Primär- und Sekundärluftzufuhr, bei dem die der Erfindung zugrunde liegenden Probleme nicht auftauchen und mit dem sie auch nicht gelöst werden könnten.
  • Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen vollständigen Ausbrand bei niedriger Verbrennungstemperatur und kurzer Verweilzeit (letzteres ergibt eine hohe spezifische Leistung, bezogen auf das Volumen), eine niedrigere Schadstoff-, insbesondere NO x -Emission, einen großen Regelbereich in der Brennerleistung und eine gut stabilisierte Flamme über einem großen Leistungsbereich, insbesondere bei hoher Brennerleistung.
  • Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung, die sich besonders gut für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Dabei ist der Brennerkopf so gestaltet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des homogenen Gemisches vor der Brennerplatte abnimmt und die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsabgase anschließend wieder ansteigt, wobei die in die adiabatische Schutzhülle hineinreichende Flamme sehr gut gehalten wird.
  • Nachstehend werden anhand der Fig. 1 und 2 das erfindungsgemäße Verfahren sowie der Aufbau und die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Brenners erläutert.
  • NO x bildet sich einerseits aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoff sowie andererseits thermisch aus freiem Stickstoff, der insbesondere in der Luft, ggf. aber außerdem im Brennstoff, z. B. Erdgas, vorhanden ist. Die thermische NO x -Bildung erfolgt bevorzugt bei hohen Verbrennungstemperaturen, z. B. bei Erdgas ab ca. 1 600°C. Eine niedrige Verbrennungstemperatur und damit einen geringen NO x -Gehalt im Abgas erreicht man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Brennstoffen mit geringem Anteil an gebundenem Stickstoff durch homogenes Mischen des Verbrennungsluft-Brennstoffgemisches vor der Verbrennung mit einem Kühlgas. Dieses Kühlgas kann Luft, Abgas, Wasserdampf oder ein Gemisch zweier oder aller dieser Komponenten sein. Um z. B. theoretisch 1 ppm NO x (luftfrei, trocken) im Abgas zu erreichen, ist bei einem Druck von 1 bar und der Verwendung von Luft von 20°C als Kühlgas eine Einstellung der theoretischen Verbrennungstemperatur von 1330°C erforderlich.
  • In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der theoretischen Verbrennungstemperatur eines beispielsweisen Erdgases von dem Massenstromverhältnis ε bei verschiedenen Lufttemperaturen T 1 und Abgastemperaturen T 2 dargestellt.
  • Das Massenstromverhältnis ε ist definiert als Verhältnis des Massenstromes von Brennstoff, Verbrennungsluft und Kühlgas zum Massenstrom der gleichen Brennstoffmenge und der Verbrennungsluftmenge, d. h. der Luftmenge für stöchiometrische Verbrennung. Die theoretische Verbrennungstemperatur ergibt sich ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung, bei vollständiger Verbrennung des Brennstoffes zu CO2 und H2O, aus dem Brennstoffheizwert und den Enthalpien der dem Brenner zugeführten Stoffe. (Letztere werden bestimmt durch Mengen, Temperaturen und spezifische Wärmekapazitäten der Stoffe).
  • In Fig. 1 sind zwei Kurvenscharen dargestellt, von denen die durchgezogene mit T 1 bezeichnete angibt, welche Verbrennungstemperaturen mit Erdgas als Brennstoff erreicht werden, wenn das Erdgas allein mit Luft der angegebenen Temperaturen homogen gemischt und anschließend verbrannt wird. - Die Angabe " ≙ A = 0" bei der Erläuterung zu diesen Kurven bedeutet, daß als Kühlgas allein Luft verwendet wird, bzw. daß der Massenstrom des rückgeführten Abgases ≙ A = 0 ist.
  • Bei der zweiten gestrichelt dargestellte Kurvenschar T 2 bedeutet die Angabe " ≙ L = ≙ L st ", daß der Massenstrom der Luft ≙ L gleich dem für die stöchiometrische Verbrennung benötigten Luft-Massenstrom ≙ L st ist. Diese Kurvenschar bezieht sich auf Verbrennungsluft, die mit 20°C zugeführt und mit als Kühlgas dienenden Abgasen unterschiedlicher Temperaturen gemischt wird. Die an den gestrichelten Kurven angegebenen Temperaturen beziehen sich also allein auf die Temperaturen des Abgases.
  • Die T 2-Kurven stellen lediglich ein Beisiel für die Bestimmung der theoretischen Verbrennungstemperatur bzw. des Massenstromverhältnisses dar. - Der Übersichtlichkeit halber wurde darauf verzichtet, die entsprechenden T 2-Kurven für Wasserdampf als Kühlgas bzw. für Mischungen aus Verbrennungsluft von anderer Temperatur als 20°C und Kühlgasen unterschiedlicher Temperatur darzustellen, da solche Kurven unter Verwendung der in einschlägigen Handbüchern und dergleichen veröffentlichten spezifischen Daten errechnet bzw. dargestellt werden können.
  • Aus Fig. 1 ist zu entnehmen, daß zum Erreichen einer theoretischen Verbrennungstemperatur von z. B. 1 300°C bei Verwendung von Luft von 20°C als Verbrennungs- und Kühlgas (T 1-Kurve) das Massenstromverhältnis ε = 1,74 beträgt, während entsprechend der untersten T 2-Kurve, d. h. Verbrennungsluft von 20°C und Abgas von 100°C als Kühlgas ε = 1,70 ist. Bei Versuchen, die sowohl im Labor als auch im betriebsmäßigen Einsatz durchgeführt wurden, wurden NO x -Werte von 1,5 ppm (luftfrei, trocken) bei Verwendung von Erdgas als Brennstoff und Luft als Verbrennungs- und Kühlgas erzielt, wobei eine theoretische Verbrennungstemperatur von 1 300°C eingestellt wurde. Das zeigt, daß die vorher genannten theoretischen Werte in der Praxis weitgehend erreicht werden. Bei den bisher üblichen Brennern beträgt der NO x -Gehalt im Abgas durchschnittlich 50-500 ppm (luftfrei, trocken).
  • Bei niedrigen Verbrennungstemperaturen (bei Erdgas z. B. unter ca. 1600°C) wird die Verbrennungsgeschwindigkeit jedoch schon so gering, daß die Verbrennung instabil verlaufen kann und daß eine weitere Abkühlung der Flamme leicht zur Stabilisierung von Verbrennungszwischenprodukten wie CO und Formaldehyd führen kann. Diese Schwierigkeiten werden vermieden, wenn der Brenner erfindungsgemäß ausgebildet ist.
  • Der erfindungsgemäße Brenner ist geeignet für alle Brennstoffe, die vor der Verbrennung gas- oder dampfförmig vorliegen und die homogen mit der Verbrennungsluft und dem Kühlgas vermischt werden können. Der Brenner kann sowohl unter Normaldruck als auch unter erhöhtem Druck betrieben werden.
  • Eine beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenners ist in Fig. 2 dargestellt. Nachstehend werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie der Brenner beschrieben.
  • Dem Mischrohr 1 müssen Brennstoff, Verbrennungsluft und Kühlgas zugeführt werden. Die Verbrennungsluft wird dem Mischrohr beispielsweise durch ein - in Fig. 2 nicht dargestelltes - Gebläse zugeführt.
  • Wenn als Kühlgas Luft verwendet wird, wird diese auf gleiche Weise zugeführt. Wenn Abgas oder Wasserdampf als Kühlgas dienen, können diese gemeinsam mit der Luft durch ein Gebläse gefördert werden, wenn ihre Temperatur bzw. die Temperatur des Luft-Kühlgas-Gemisches für das Gebläse zulässig ist. Anderenfalls kann das Kühlgas ebenso wie der Brennstoff dem Mischrohr direkt, z. B. durch Injektorwirkung, zugeführt werden. Zur Verkürzung des Mischrohres kann auch der Brennstoff vor dem Gebläse zugeführt werden.
  • An das Mischrohr 1 schließt sich der Brennerkopf 5 an, dessen Querschnitt 6 am Anschluß an das Mischrohr 1 beispielsweise das 2fache des Mischrohrquerschnittes beträgt. Durch diesen sprunghaften Übergang auf einen größeren Strömungsquerschnitt wird eine Abrißkante für die Strömung gebildet. Der Brennerkopf 5 erweitert sich anschließend konisch auf das 4,5fache des Mischrohrquerschnittes. - Statt der dargestellten Kegelform des Brennerkopfmantels sind auch gekrümmte Mantelformen möglich. - Am Ende des Brennerkopfes ist eine Brennerplatte 7 eingebaut, die eine große Hauptflammen-Bohrung 8 und mehrere kleine Bohrungen 9 aufweist, die in mehreren konzentrischen Ringen um die Hauptflammen-Bohrung 8 angeordnet sind und zur Bildung der Halteflammen dienen. - Je nach Größe des Brennerkopfes können mehrere Hauptflammen-Bohrungen in der Brennerplatte vorhanden sein. Außerdem können die kleinen Bohrungen 9 durch entsprechende schlitzförmige Öffnungen ersetzt werden. Die Brennerplatte kann sowohl aus Metall als auch aus keramischem Material bestehen. - Die Abstände der Halteflammen-Bohrungen 9, die zusammen einen etwas geringeren freien Querschnitt als die Hauptflammen Bohrung 8 haben, werden so gewählt, daß sie eine einwandfreie Überzündung von den äußersten Halteflammen zur Hauptflamme und eine gegenseitige Stabilisierung der Halteflammen gewährleisten. Während die Hauptflammen-Bohrung 8 parallel zur Brennerachse verläuft, sind mindestens die Halteflammen-Bohrungen 9, die sich im äußersten Ring befinden, in einem Winkel von etwa 40° zur Brennerachse geneigt. Der äußerste Halteflammen-Ring wird auf diese Weise durch Rückströmungen an der zylindrischen Wand des Brennermundes 10, der sich an die Brennerplatte 7 anschließt, stabilisiert.
  • Der Brennermund 10 ist nur ein kurzes Stück zylindrisch ausgeführt und verjüngt sich dann konisch, beispielsweise auf das 2,9fache des Mischrohrquerschnittes. - Die Mantelfläche des Brennermundes kann analog dem Brennerkopf entweder kegelförmig - wie in Fig. 2 dargestellt - oder gewölbt ausgeführt sein. Auch die Brennerplatte 7 kann statt der dargestellten ebenen Form kegelförmig oder gewölbt ausgeführt sein. -
  • Um die entstehende Flamme vor einer Abkühlung von außen zu schützen und ein unerwünschtes Eindringen von Fremdgasen in den Flammen- bzw. Verbrennungsbereich zu verhindern, das die eingangs beschriebenen negativen Wirkungen zur Folge hätte, ist der Brennermund 10 mit einer Flammenschutzhülle 11 verbunden. In Fig. 2 ist sie als zylindrisches Rohr dargestellt, dessen Innendurchmesser dem größten Außendurchmesser der freibrennenden Flamme entspricht. - Eine andere, nicht dargestellte vorteilhafte Ausführungsform der Flammenschutzhülle besteht aus einem konisch erweiterten und anschließend zylindrischen Rohr, das also der Flammenform angepaßt ist. - Die Flammenschutzhülle wird derart ausgebildet, daß sie die Flamme nicht behindert bzw. einengt. Die Flammenschutzhülle 11 verhindert, daß die Flamme durch Berührung mit Luft und/oder Abgas aus der Umgebung weiter abgekühlt und so am vollständigen Ausbrand gehindert wird. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Brennermund 10 und die Flammenschutzhülle 11 innen mit einem katalytisch unwirksamen Material oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen mit einer Wärmeisolierung, z. B. Keramik, auszukleiden. Die Aufgabe einer Flammenschutzhülle kann auch eine Brennkammer erfüllen, die keine Nutzwärme abführt und in der die Flamme vollständig ausbrennen kann.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, homogene Gemische der genannten Art mit sehr hohen Massenstromverhältnissen betriebssicher und schadstoffarm zu verbrennen. Durch Einstellung des Massenstromverhältnisses kann in der zuvor beschriebenen Weise eine gewünschte Verbrennungstemperatur eingestellt werden. Dadurch, daß die Vermischung der Brennergase mit Fremdgasen, z. B. Luft oder Abgas, die in der Umgebung des Brenners vorhanden sind, weitestgehend vermieden wird, bleibt die Flammentemperatur so homogen, daß die thermische NO x -Bildung weitgehend der NO x -Bildung bei der theoretischen Verbrennungstemperatur entspricht.
  • Der Brenner zur Durchführung des neuen Verfahrens zeichnet sich trotz einfachster Konstruktion unter anderem durch eine leise, stabile, schadstoffarme Verbrennung über einen großen Leistungsbereich aus.
  • Die Anwendungsmöglichkeiten für den Erfindungsgegenstand sind außerordentlich vielseitig. Dazu gehören beispielsweise die Erzeugung von Abgas-Luft-Gemischen zur Erwärmung und Trocknung von Lebensmitteln, die Beheizung von Kesseln und Industrieöfen der verschiedensten Art sowie die Erzeugung vn Antriebsgasen für Gasturbinen. In allen diesen Fällen kann wegen des ungewöhnlich geringen NO x -Gehaltes im Abgas der Erfindungsgegenstand einen wertvollen Beitrag zur Luftreinhaltung leisten.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners unter normalem oder erhöhtem Druck bei niedrigen Verbrennungstemperaturen unter Bildung schadstoffarmer Abgase, wobei dem Brenner ein gasförmiger oder bei Normaltemperatur flüssiger, vor der Verbrennung vollständig verdampfter Brennstoff sowie Verbrennungsluft und Kühlgas zugeführt werden dadurch gekennzeichnet, daß dem als Vormischbrenner arbeitenden Brenner ein homogenes Gemisch zugeführt wird, das aus dem gas- bzw. dampfförmigen Brennstoff, einer zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes benötigten Menge der Verbrennungsluft und einer zur Einstellung der Verbrennungstemperatur auf 1100°C bis 1700°C vorzugsweise 1200°C bis 1300°C dienenden Menge des Kühlgases besteht, daß die Verbrennung in mindestens einer zentralen Hauptflamme, die von mehreren Halteflammen- Ringen umgeben ist, stattfindet, und daß die entstehende Flamme bis zum vollständigen Ausbrand vor dem Zutritt von Umgebungsluft und/oder Abgas sowie Abkühlung oder Erwärmung geschützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas Luft und/oder Abgas und/oder Wasserdampf verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Kühlgases 20% bis 600% der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes benötigten Luftmenge beträgt.
4. Brenner zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Zuleitungen für Brennstof, Verbrennungsluft und Kühlgas, gekennzeichnet durch
ein Mischrohr (1), in das die Zuleitungen für den Brennstoff (2), die Verbrennungsluft (3) und das Kühlgas (4) hineinführen,
einen sich an das Mischrohr (1) anschließenden Brennerkopf (5), dessen Querschnitt (6) am Anschluß an das Mischrohr (1) das 1,1- bis 3,8fache, vorzugsweise das 1,8- bis 2,7fache des Mischrohrquerschnittes beträgt und dessen Querschnitt sich anschließend auf das 2,0- bis 6,8fache, vorzugsweise auf das 3,2- bis 4,8fache des Mischrohrquerschnittes erweitert, eine Brennerplatte (7), die sich am erweiterten Ende des Brennerkopfes (5) befindet und die mindestens eine große Hauptflammen-Bohrung (8) aufweist, die parallel zur Brennerachse verläuft, sowie mehrere kleine Halteflammen-Öffnungen (9), die in mehreren konzentrischen Ringen um die Hauptflammen-Bohrung (8) verlaufen und von denen mindestens die Halteflammen- Bohrungen im äußeren Ring unter einem Winkel zur Brennerachse von 10° bis 70°, vorzugsweise 25° bis 45° verlaufen,
einen sich an die Brennerplatte (7) anschließenden Brennermund (10) gleichen Querschnitts, der zunächst zylindrisch ausgebildet ist und sich dann auf das 1,4- bis 4,9fache, vorzugsweise auf das 2,3- bis 3,5fache des Mischrohrquerschnittes verengt,
und eine Flammenschutzhülle (11), die die Flamme umgibt und deren Innendurchmesser dem größten Außendurchmesser der freibrennenden Flamme entspricht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenschutzhülle (11) aus einem zylindrischen Rohr besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenschutzhülle (11) aus einem zunächst konisch erweiterten und anschließend zylindrischen Rohr besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermund (10) und die Flammenschutzhülle (11) einen Teil der Brennkammer bilden, die praktisch keine Nutzwärme abführt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennermund (10) und die Flammenschutzhülle (11) innen mit einem katalytisch unwirksamen Material ausgekleidet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerplatte (7), der Brennermund (10) und die Flammenschutzhülle (11) mit keramischem Material ausgekleidet bzw. aus keramischem Material hergestellt sind.
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