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DE69406192T2 - Verfahren und Hochdruckgasversorgungseinheit für eine ein Luftbestandteil verbrauchende Anlage - Google Patents

Verfahren und Hochdruckgasversorgungseinheit für eine ein Luftbestandteil verbrauchende Anlage

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Publication number
DE69406192T2
DE69406192T2 DE69406192T DE69406192T DE69406192T2 DE 69406192 T2 DE69406192 T2 DE 69406192T2 DE 69406192 T DE69406192 T DE 69406192T DE 69406192 T DE69406192 T DE 69406192T DE 69406192 T2 DE69406192 T2 DE 69406192T2
Authority
DE
Germany
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gas
pressure
evaporation
distillation device
air
Prior art date
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DE69406192T
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English (en)
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DE69406192D1 (de
DE69406192T3 (de
Inventor
Robert Ekins
Alain Guillard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
Original Assignee
Air Liquide SA
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Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=9447825&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=DE69406192(T2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Air Liquide SA filed Critical Air Liquide SA
Publication of DE69406192D1 publication Critical patent/DE69406192D1/de
Publication of DE69406192T2 publication Critical patent/DE69406192T2/de
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    • F25J3/04557—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general for the metal production for pig iron or steel making, e.g. blast furnace, Corex
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung einer zumindest einen Bestandteil der Luft verbrauchenden Anlage mit einem unter Druck stehenden Gas, das bei einer kryogenen Temperatur unter diesem Druck verflüssigbar ist, sowie eine Einheit zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach den Qberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 6.
  • Ein solches Verfahren und eine solche Einheit sind aus der JP-A-02293575 bekannt.
  • Die Erfindung ist insbesondere zur Versorgung von bestimmten metallurgischen Anlagen mit Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Argon anwendbar.
  • Die untenstehend genannten Drücke sind Absolutdrücke.
  • Die JP-A-0229 3 575 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff und Stickstoff, denen in einem Austauscher Ströme aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff zugegeben werden, die ausschließlich aus einer zur Durchführung des Verfahrens benutzten Zerlegungsvorrichtung stammen und in dem Austauscher verdampfen. Dabei kondensiert ein Luftstrom.
  • Einige metallurgische Anlagen, wie z.B. die Elektrolichtbogenöfen zur Herstellung von rostfreiem Stahl (AOD- Verfahren), verbrauchen gleichzeitig unter Druck stehenden, gasförmigen Sauerstoff, unter Druck stehenden, gasförmigen Stickstoff und unter Druck stehendes, gasförmiges Argon. Der Verbrauchsdruck dieser Gase liegt typisch in dem Bereich von 25 bar bei starken Schwankungen im Verbrauch, was den Einsatz von "Puffern" oder Zwischenspeichern erforderlich macht, die unter einem Druck in dem Bereich von 30 bis 40 bar gespeist werden.
  • Sauerstoff und Stickstoff werden im allgemeinen mittels einer Luftdestillationseinheit vor Ort hergestellt und die erforderlichen Mengen an Argon sind wesentlich größer als das Argonproduktionsvermögen dieser Destillationseinheit, das 5 % der Sauerstoffausbeute nicht überschreiten kann. Es ist daher erforderlich, die Anlagen aus einer externen Quelle mit Argon zu versorgen. Nach der üblichen Technik wird dieses Argon in einer Hilfsvorrichtung wie einem Warmwasserbekken verdampft.
  • Des weiteren verursachen die technologische Entwicklung sowie die Anforderungen an die Produktivität eine ständige Zunahme des Sauerstoffverbrauchs in Lichtbogenöfen, der häufig die Zerlegungsleistung der vor Ort vorhandenen Destillationsvorrichtung bei weitem überschreitet.
  • Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, das erlaubt, selbst einen sehr hohen Gasbedarf der Vorrichtung auf besonders wirtschaftliche Weise zu decken.
  • Daher hat die Erfindung ein Verfahren zum Gegenstand, bei dem
  • - Luft in einer Destillationsvorrichtung destilliert wird, die mit einer Wärmeaustauschleitung verbunden ist, in der man mindestens ein kalorisch nutzbares Fluid zirkulieren läßt, das aus unter einem hohen Druck deutlich über dem Betriebsdruck der Destillationsvorrichtung stehender, zur Destillation bestimmter Luft besteht;
  • - ein Speicher, zumindest intermittierend mit dem Gas in flüssiger Form versorgt wird; und
  • - mindestens ein Teil des unter Druck stehenden Gases dadurch erzeugt wird, daß Gas in flüssiger Form zugeführt wird, das dem Speicher bei einem Verdampfungsdruck oberhalb seinem Speicherdruck entnommen wird, und das Gas unter diesem Verdampfungsdruck in der mit der Destillationsvorrichtung verbundenen Wärmeaustauschleitung verdampft wird,
  • dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher zumindest teilweise aus einer externen Quelle versorgt wird, und die Wärme der Verdampfung/Erwärmung des Gases zumindest teilweise dadurch wiederverwertet wird, daß ein zusätzlicher Strom aus flüssigem Sauerstoff und/oder flüssigem Stickstoff erzeugt wird.
  • Das Verfahren kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
  • - gleichzeitig wird zumindest ein Bestandteil der unter Druck stehenden Luft dadurch produziert, daß dieser in flüssiger Form vorliegende, der Destillationsvorrichtung bei einem Verdampfungsdruck oberhalb seines Entnahmedruck entnommene Bestandteil eingeleitet wird, und daß diese unter dem Verdampfungsdruck stehende Flüssigkeit in der Wärmeaustauschleitung verdampft wird;
  • - dieses Gas ist ein Gas der Luft, dessen Strom größer als der Strom des Gases ist, das gleichzeitig mittels der Destillationsvorrichtung produziert wird;
  • - die Verdampfung findet ständig statt;
  • - während bestimmter Perioden wird in flüssiger Form vorliegendes Gas aus der Destillationsvorrichtung in den Speicher geleitet und während anderer Perioden findet die Verdampfung statt.
  • Die Erfindung hat auch eine Einheit zur Durchführung eines solchen Verfahrens zum Gegenstand. Diese Einheit, umfassend eine Luftdestillationsvorrichtung, die mit einer Wärmeaustauschleitung verbunden ist, die Durchgänge für zumindest ein kalorisch nutzbares Fluid hat, das aus der unter einem hohen Druck deutlich über dem Betriebsdruck der Destillationsvorrichtung stehenden, zur Destillation bestimmten Luft besteht, weist einen Speicher für das in flüssiger Form vorliegende Gas auf, der so ausgeführt ist, daß er mindestens intermittierend versorgt wird und Mittel zum Verdichten dieses in flüssiger Form vorliegenden Gases, die stromauf mit dem Speicher und stromab mit Durchgängen zum Verdampfen des Gases der Wärmeaustauschleitung unter Druck verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher zumindest teilweise aus einer externen Quelle versorgt ist.
  • Die Einheit kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
  • - die Verdichtungsmittel können auch stromab mit einer Hilfsverdampfungsvorrichtung verbunden sein;
  • - das Gas ist ein Gas der Luft und die Verbindungsmittel sind nur mit dem Speicher verbunden, wobei dieser gegebenenfalls mit der Destillationsvorrichtung verbunden ist;
  • - die Einheit umfaßt eine Pumpe für das in flüssiger Form vorliegende Gas, deren Saugseite mit der Destillationsvorrichtung verbunden ist;
  • - die Druckseite der Pumpe ist mit Verdampfungsdurchlässen der Wärmeaustauschleitung verbunden, die verschieden von den den Verdichtungsmitteln zugeordneten sind.
  • Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung beschrieben, bei der
  • - Figur 1 eine Einheit nach der Erfindung schematisch zeigt und
  • - die Figuren 2 und 3 Ausschnitte zweier Abwandlungen schematisch zeigen.
  • Figur 1 zeigt eine Einheit zur Versorgung einer Verbraucheranlage 1, die typisch eine eisenverarbeitende Anlage zur Durchführung eines Verfahrens des Typs AOD ist, die einerseits unter Druck stehenden, gasförmigen Sauerstoff, der über eine Leitung 2 herangeführt wird, andererseits unter Druck stehenden, gasförmigen Stickstoff, der über eine Leitung 3 herangeführt wird und schließlich unter Druck stehendes Argon, das über eine Leitung 4 herangeführt wird, verbraucht. Diese Einheit erzeugt zudem gasförmiges Argon unter Niederdruck, d.h. nahe Atmosphärendruck, sowie flüssigen Sauerstoff und flüssigen Stickstoff, wobei diese Flüssigkeiten ebenfalls annähernd unter Atmosphärendruck stehen.
  • Die Einheit umfaßt im wesentlichen einen Verdichter 5 für Atmosphärenluft, eine Kühlgruppe 6, eine Vorrichtung 7 zur Trocknung/Entkarbonatisierung von Luft mittels Adsorption, einen Verdichter 8 und eine Entspannungsturbine 9, deren Räder auf der selben Achse angeordnet sind, wobei der Ver dichter mit einem atmosphärischen oder wässrigen Kühlmittel 10 versehen ist, eine Wärmeaustauschleitung 11 vom Gegenstromtyp, einen Unterkühler 12, eine Destillationsvorrichtung 13, die aus einer Doppelkolonne vom sogenannten "Minarett"-Typ besteht und eine Mitteldruckkolonne 14 umfaßt, die zwischen 5 und 6 bar arbeitet und auf einer Niederdrucksäule 15 angeordnet ist, die unter einem Druck von 1,2 bar arbeitet, wobei der Kopf der Säule 14 mit dem Sumpf der Säule 15 über einen Verdampferkondensator 16 verbunden ist, ein Trenngefäß 17, einen Flüssigstickstoffspeicher 18, eine Flüssigsauerstoffpumpe 19, einen Flüssigsauerstoffspeicher 20, eine Flüssigstickstoffpumpe 21, eine Flüssigargonpumpe 22 und einen Flüssigargonspeicher 23. Die drei Speicher 18, 20 und 23 stehen ungefähr unter Atmosphärendruck.
  • Im Betrieb wird die zu destillierende, atmosphärische Luft, die in 5 verdichtet und dann in 6 gekühlt wird, in 7 von Wasser und Kohlendioxid gereinigt, dann insgesamt in 8 verdichtet und in 10 wieder etwa auf Umgebungstemperatur gebracht. Die verdichtete Luft, die sich auf einem hohen Druck deutlich oberhalb des Mitteldrucks der Säule 14 befindet, wird in der Wärmeaustauschleitung 11 insgesamt auf eine Zwischentemperatur T gekühlt. Bei dieser Temperatur erfährt ein Teil der Luft eine weitere Abkühlung, wird verflüssigt, gegebenenfalls bis zum kalten Ende der Wärmeaustauschleitung unterkühlt und dann, nach Entspannung in den Druckminderventilen 24 und 25, auf die zwei Säulen 14 und 15 verteilt.
  • Der Rest der Luft wird in 9 bei der Temperatur T auf den Mitteldruck entspannt und dann in den Sumpf der Kolonne 14 eingeleitet.
  • In der Zeichnung sind auch die üblichen Leitungen von Doppelkolonnen des "Minarett"-Typs gezeigt, d.h. es wird im Kopf der Niederdrucksäule unter diesem Niederdruck stehender, reiner Stickstoff hergestellt. Die Steigleitungen 26 bis 28 für "reiche Flüssigkeit" (mit Sauerstoff angereicherte Luft), für "untere, arme Flüssigkeit" (Rohstickstoff) bzw. für "obere, arme Flüssigkeit" (im wesentlichen reiner Stickstoff) zweigen vom Sumpf, einem Zwischenpunkt bzw. vom Kopf der Kolonne 14 ab, durchqueren den Unterkühler 12 und sind jeweils mit einem Druckminderventil ausgestattet.
  • Der für die Vorrichtung 1 bestimmte Stickstoff wird dem Sumpf der Kolonne 15 in flüssiger Form entnommen, mit der Pumpe 19 auf den Verbrauchsdruck gebracht, verdampft und in der Wärmeaustauschleitung bis nahe an die Umgebungstemperatur erwärmt.
  • Ebenso wird der für die Vorrichtung 1 bestimmte Stickstoff dem Kopf der Kolonne 14 in flüssiger Form entnommen, mit der Pumpe 21 auf seinen Verbrauchsdruck gebracht, verdampft und in der Wärmeaustauschleitung bis nahe an die Umgebungstemperatur erwärmt.
  • Das für die Vorrichtung 1 bestimmte Argon wird in dem Speicher 23, der über Tanklastzüge 29 versorgt wird, in flüssiger Form gespeichert. Das flüssige Argon wird diesem Speicher entnommen, mit der Pumpe 22 auf seinen Verbrauchsdruck gebracht, verdampft und in der Wärmeaustauschleitung bis nahe an die Umgebungstemperatur gebracht.
  • Üblicherweise werden der das Restgas der Vorrichtung enthaltende Rohstickstoff und der im Kopf der Säule 15 hergestellte reine Stickstoff in 12 und dann in 11 erwärmt. Sie verlassen die Einheit über Leitungen 30 bzw. 31.
  • Die Einheit erzeugt außerdem flüssigen Stickstoff, der über die Leitung 28 entnommen wird und in einem Druckminderventil 32 entspannt wird, bevor er in das Trenngefäß 17 eingeleitet wird. Die aus diesem Trenngefäß stammende Flüssigkeit wird in den Speicher 18 geleitet, wogegen die Dampfphase dem aus dem oberen Bereich der Säule 15 stammenden gasförmigen Stickstoffstrom zugeführt wird. Die Einheit erzeugt auch flüssigen Sauerstoff, der dem Sumpf der Säule 15 entnommen und über eine Leitung 33 in den Speicher 20 eingeleitet wird. Somit wird die zusätzliche Kältemenge, die in der Wärmeaustauschleitung durch Verdampfung und Erwärmung des flüs sigen Stickstoffs entsteht, zur Herstellung von flüssigem Sauerstoff und/oder flüssigem Stickstoff verwendet.
  • In einer Abwandlung kann die Luftdestillationsvorrichtung eine Säule zur Herstellung von Argon umfassen, die üblicherweise mit der Säule 15 verbunden ist, um einen Teil des der Vorrichtung 1 zugeführten Argons herzustellen.
  • Die Figuren 2 und 3 zeigen die Versorgung der Anlage mit un ter Druck stehendem, gasförmigem Sauerstoff mit einer Menge, die höher als die Zerlegungsleistung der Destillationsvorrichtung 13 ist. In diesen Figuren sind nur die Doppelsäule 13 und der Sauerstoffkreis dargestellt. Der Rest entspricht mit Ausnahme des Argonkreises, der fehlt, der Vorrichtung nach Figur 1.
  • Im Fall der Figur 2 wird der Speicher 20 einerseits durch den Sumpf der Säule 15, andererseits durch Tanklastzüge 34 versorgt, während die Saugseite der Pumpe 19 nur mit dem Boden des Speichers 20 verbunden ist. So kann die erforderliche Menge an flüssigem Sauerstoff zur Verdampfung und Erwärmung in die Wärmeaustauschleitung geleitet werden. Der Überschuß an verdampftem, flüssigem Sauerstoff, d.h. die aus den Tanklastzügen eingespeiste Menge, liefert die Kälte, die wie vorher in Form von zusätzlichem, in den Speicher 18 eingeleitetem Flüssigstickstoff wiedergewonnen werden kann.
  • Wie Figur 3 zeigt, kann in einer Abwandlung das Schema nach Figur 2 durch eine zweite Flüssigsauerstoffpumpe 36 ergänzt werden, deren Saugseite mit dem Sumpf der Kolonne 15 verbunden ist. Die Förderung der zwei Pumpen kann mit denselben Verdampfungsdurchlässen der Wärmeaustauschleitung verbunden sein oder besser mit verschiedenen Verdampfungsdurchlässen.
  • Wie strichpunktiert eingezeichnet ist, kann die Druckseite der Pumpe 19 und/oder 36 im Bedarfsfall, z.B. zur Unterstützung, auch mit einer üblichen Hilfsverdampfungsvorrichtung 35 wie einem Wasserbecken verbunden sein. Bei dieser Betriebsart ist die in dem verdampften Flüssigsauerstoff enthaltene Kälte selbstverständlich verloren.
  • In jedem der Fälle der Figuren 2 und 3 kann die Destillationsvorrichtung den Speicher 20 während Perioden mit geringem Sauerstoffbedarf der Verbrauchsvorrichtung und/oder während der Perioden mit geringen Kosten an elektrischer Energie weiter auffüllen, wogegen dieser Speicher sich während der Perioden mit hohem Bedarf und/oder hohen Kosten an elektrischer Energie zunehmend leert und dann gegebenenfalls über Tanklastzüge aufgefüllt werden muß. Wenn der Bedarf an Sauerstoff ständig höher als die Leistung der Destillationsvorrichtung ist, muß die Versorgung über Tanklastzüge selbstverständlich regelmäßig durchgeführt werden.
  • Nach einer Abwandlung braucht der Speicher nach Fig. 3 nicht mit der Doppelsäule 13 verbunden zu sein und wird nur über die Tanklastzüge 34 versorgt werden. In diesem Fall kann die Reinheit des über die letzteren gelieferten Sauerstoffs verschieden von der des durch die Doppelsäule erzeugten Sauerstoffs sein.
  • Die Erfindung eignet sich auch für Luftdestillationsvorrichtungen mit einer Einfachsäule, z.B. nach einem Schema mit Argonverdampfung wie dem in Figur 1, bei dem jedoch die Vorrichtung 13 eine Einfachsäule zur Herstellung von HPN- Stickstoff (High Purity Nitrogen) ist, die mit einem Claude- Luftkreislauf verbunden ist, der analog zu dem weiter oben beschriebenen ist. In diesem Fall ermöglicht die Argonverdampfung die Produktion eines Überschusses an flüssigem Stickstoff.

Claims (10)

1. Verfahren zur Versorgung einer zumindest einen Bestandteil der Luft verbrauchenden Anlage (1) mit einem unter Druck stehenden Gas, das bei einer kryogenen Temperatur unter diesem Druck verflüssigbar ist, wobei
- Luft in einer Destillationsvorrichtung (13) destilliert wird, die mit einer Wärmeaustauschleitung (11) verbunden ist, in der man mindestens ein kalorisch nutzbares Fluid zirkulieren läßt, das aus unter einem hohem Druck deutlich über dem Betriebsdruck der Destillationsvorrichtung stehender, zur Destillation bestimmter Luft besteht;
- ein Speicher (23; 20) zumindest intermittierend mit dem Gas in flüssiger Form versorgt wird; und
- mindestens ein Teil des unter Druck stehenden Gases dadurch erzeugt wird, daß Gas in flüssiger Form zugeführt wird, das dem Speicher bei einem Verdampfungsdruck oberhalb seinem Speicherdruck entnommen wird, und das Gas unter diesem Verdampfungsdruck in der mit der Destillationsvorrichtung verbundenen Wärmeaustauschleitung (11) verdampft wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (23; 20) zumindest teilweise aus einer externen Quelle (29; 34) versorgt wird und die Wärme der Verdampfung/Erwärmung des Gases zumindest teilweise dadurch wiederverwertet wird, daß ein zusätzlicher Strom aus flüssigem Sauerstoff und/oder flüssigem Stickstoff erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig zumindest ein Bestandteil der unter Druck stehenden Luft dadurch produziert wird, daß dieser in flüssiger Form vorliegende, der Destillationsvorrichtung (13) bei einem Verdampfungsdruck oberhalb seines Entnahmedrucks entnommene Bestandteil eingeleitet wird, und daß diese unter dem Verdampfungsdruck stehende Flüssigkeit in der Wärmeaustauschleitung (11) verdampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gas ein Gas der Luft ist, dessen Strom größer als der Strom des Gases ist, das gleichzeitig mittels der Destillationsvorrichtung (13) produziert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung ständig stattfindet.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während bestimmter Perioden in flüssiger Form vorliegendes Gas aus der Destillationsvorrichtung (13) in den Speicher (20) geleitet wird und während anderer Perioden die Verdampfung stattfindet.
6. Einheit zur Versorgung einer zumindest einen Bestandteil der Luft verbrauchenden Anlage mit einem unter Druck stehenden Gas, das bei einer kryogenen Temperatur unter diesem Druck verflüssigbar ist, umfassend eine Luftdestillationsvorrichtung (13), die mit einer Wärmeaustauschleitung (11) verbunden ist, die Durchgänge für zumindest ein kalorisch nutzbares Fluid hat, das aus der unter einem hohen Druck deutlich über dem Betriebsdruck der Destillationsvorrichtung stehenden, zur Destillation bestimmten Luft besteht, wobei die Destillationsvorrichtung einen Speicher (23; 20) für das in flüssiger Form vorliegende Gas umfaßt, der so ausgeführt ist, daß er mindestens intermittierend versorgt wird, und Mittel (22, 19) zum Verdichten dieses in flüssiger Form vorliegenden Gases, die stromauf mit dem Speicher und stromab mit Durchgängen zum Verdampfen des Gases der Wärmeaustauschleitung (11) unter Druck verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher zumindest teilweise aus einer externen Quelle (29, 34) versorgt ist.
7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtungsmittel (19) ebenso stromab mit einer Hilfsverdampfungsvorrichtung (35) verbunden sein können.
8. Einheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas ein Gas der Luft ist und die Verdichtungsmittel (19) nur mit dem Speicher (20) verbunden sind, wobei dieser ggfs. mit der Destillationsvorrichtung (13) verbunden ist.
9. Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Pumpe (36) für das in flüssiger Form vorliegende Gas umfaßt, deren Saugseite mit der Destillationsvorrichtung (13) verbunden ist.
10. Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite der Pumpe (36) mit Verdampfungsdurchlässen der Wärmeaustauschleitung (11) verbunden ist, die verschieden von den den Verdichtungsmitteln (19) zugeordneten sind.
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