KR20200037254A - 스팀 발생 장치용 석탄 노즐 조립체 - Google Patents

Abstract

스팀 발생 시스템은 노, 미분탄 및 일차 공기를 위한 노즐 팁 조립체, 및 노 내의 이차 공기를 이송하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명에 따른 노즐은 노즐 몸체(3) 및 노즐 몸체와 연결되는 수 개의 채널(5)을 포함하며, 채널들은 서로로부터 분기한다. 채널의 출구면(17)에는 노로 진입할 때 일차 공기의 거대 난류를 유도하도록 장애물(13)이 배치된다. 이들 난류로 인하여, 일차 공기 및 혼입된 석탄은 노에서 연소되기 전에 매우 잘 혼합된다. 이는 감소된 NOx-배출물을 갖는 더 우수하고 더 효과적인 연소를 초래한다.

Description

스팀 발생 장치용 석탄 노즐 조립체

본 발명은 일차 공기 중에 혼입된 고체 입자의 유동을 연소기 내로 또는 노(furnace) 내로 지향시키기 위한 스팀 발생 장치용 버너 노즐 팁 조립체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 노 및 적어도 하나의 석탄 노즐 팁 조립체를 포함하는 스팀 발생 시스템에 관한 것이다.

고체 연료 발화 시스템은 공기 스트림 내에서 노 내로 송풍되는 분말형 고체 연료, 전형적으로 석탄을 연소시킨다. 이러한 노는 전형적으로 전기를 생성하는 것과 같은 다양한 용도를 위해 스팀을 생성하는 보일러이다.

미분탄 입자가 일차 공기에 의하여 미분탄기(coal mill)로부터 덕트 설비(duct work)를 통해 석탄 노즐 팁 조립체로 이송될 때, 이들은 다양한 경로에서 응집되는 경향이 있다. 다른 부정적 효과 중 석탄 입자 및 일차 공기의 결과적인 부분 분리는 노 내의 연소 효율을 감소시키고 연료 가스 내의 오염물질을 상승시키며, 이는 바람직하지 않다.

미국 특허 제8955776호로부터, 일차 공기 및 석탄 입자의 유동을 노 내로 지향시키기 위해 노즐의 출구 영역에서 서로 평행하게 배열되는 수 개의 평평한 가이드 베인(guide vane)을 포함하는 고체 연료 노를 위한 노즐 팁이 알려져 있다.

노즐 및 가이드 베인은, 예를 들어, 주조 또는 용접에 의해 일체로 형성된다. 가이드 베인들은 서로에 대해 대략 평행하여서, 노즐 팁을 빠져나가 노로 들어가기 전에 부분적으로 응집된 석탄 입자와 일차 공기의 차선의(sub-optimal) 혼합물을 생성한다.

현재, 노에서 연소되기 직전에 석탄 입자와 일차 공기의 비균질 혼합물을 처리하는 능력을 초래하여, 이에 따라 노의 효율을 더 높이고 연도 가스 내에서의, 예를 들어 NOx와 같은, 오염물질을 더 적게 하는 개선된 석탄 노즐 팁 조립체에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 버너의 더 큰 범위의 안정성을 제공하고 또한 동시에 연소 효율을 유지하거나 개선할 필요가 있다.

본 발명은 노즐 몸체 및 노즐 몸체에 연결되는 채널들의 그룹 - 채널들은 서로로부터 분기하도록 배열됨 - 을 포함하고, 노즐 몸체와 채널 사이의 연결부로부터 원위에 있는 단부에서, 각각의 채널은 출구면을 포함하고, 채널의 출구면 내에 장애물이 배치되는, 스팀 발생 장치용 석탄 노즐 팁 조립체에 의하여 이러한 요구를 충족시킨다. 채널의 개수는 2개, 3개, 4개 또는 4개 초과일 수 있다. 채널들은 다소 유사한 주 배향을 갖지만, 이들은 평행한 것이 아니라 분기(diverge)하고 있다.

혼입된 석탄 입자를 갖는 일차 공기가 노즐 몸체 및 채널을 통해 거의 영향을 받지 않고 유동하기 때문에, 일차 공기와 석탄 입자의 혼합물은 미분탄기로부터 "전달되는 그대로" 비균질하게 유지된다. 석탄 노즐 팁 조립체는 오히려 간단히 설계될 수 있고 긴 사용 수명을 갖는다. 각각의 채널 내의 출구면 부근의 채널의 단부에만 장애물이 배치되며, 이는 일단 일차 공기 및 석탄 입자가 석탄 노즐 팁 조립체를 빠져나가면 강한 난류를 야기한다. 이것은 석탄 노즐 팁 조립체의 출구면 부근에서 화염 부착 및 탈휘발화(devolatization)를 강력하게 촉진한다. 채널은 제공되는 특정 연료 특성에 대해 크기설정된다.

청구된 노즐 팁 조립체의 단순화에 더하여, 이차 공기를 이송하기 위한 외부 슈라우드(shroud)가 필요하지 않다는 추가의 이점이 있다. 다시 말하면, 기존의 노 내의 노즐 팁 조립체를 위한 공간이 제한되는 경우, 청구된 노즐 팁 조립체를 이러한 노 내에 피팅(fitting) 또는 개장(retrofitting)하는 것은 더 큰 단면적을 갖는 노즐 팁 몸체 및 채널의 설치를 허용하며, 이는 노즐 팁 조립체의 성능을 향상시키고/시키거나 노즐 팁 조립체의 압력 강하를 감소시킨다. 이차 공기는 노즐 팁 조립체로부터 먼 지점에서 노 내로 송풍될 수 있다. 설계에서의 이러한 유연성은 종종 기존의 노의 개장의 경우에 매우 유리하다.

청구된 석탄 노즐 팁 조립체는, 제1 단계에서, 일단 석탄 스트림이 노즐 몸체를 빠져나가서 전환 채널에 진입하면, 석탄 입자와 일차 공기의 혼합물 내의 편차를 촉진한다. 이로 인하여, 청구된 석탄 노즐 팁 조립체는 불안정한 분탄기 및/또는 노 성능의 상황에서도 화염 부착의 개시를 만들 수 있는 능력을 갖는다. 따라서, 화염 부착의 근원은 강건하고(robust), 조건이 변할 때 임의의 채널에서 촉진될 수 있다.

화염 부착 구역은 부분적으로 또는 완전히 "연료 공기"가 결핍되어(starved of) 노즐 팁 조립체의 출구면 부근의 제1 구역에서 저온을 촉진하며, 여기서 연료는 탈휘발화되고, 이어서 숯은 방화벽 내의 출구면으로부터 더 멀리 떨어진 구역에서 연소될 수 있다.

그로 인해, 배출물 규제(emission regulations)에 부합하게 스팀 발생 시스템을 작동시키는 것이 가능하다. 또한, 이차 NOx 생성을 위한 반응물(reagent)의 주입이 제거되거나 적어도 크게 감소될 수 있다.

또한, 청구항 제1항에 따른 석탄 노즐 조립체를 갖는 스팀 발생 시스템은 지지 에너지(예를 들어, 가스 또는 오일)의 필요 없이 정상 부하의 10% 내지 20%에 이르기까지의 부하에서 작동될 수 있다.

이는, 전기 그리드 내의 부하에 따라 그러한 스팀 발생 시스템을 작동시킬 수 있고, 전기 그리드 내의 에너지 소비의 일일 피크가 나타나는 경우 10% 내지 100%까지 부하를 증가시킬 준비가 되어 있음을 의미한다.

청구된 노즐 팁 조립체는 몇몇 형태로 구현될 수 있다. 모든 실시예에서, 노즐 몸체는 노즐 몸체와 채널들 사이의 연결부에서 다각형 단면적을 갖고, 각각의 채널도 역시 다각형 단면적을 갖는다. 채널들의 단면적들의 합산은 노즐 몸체의 단면적과 동일하다. 따라서, 노즐 몸체와 채널 사이의 연결부에서의 압력 강하가 최소화된다.

이는 석탄 노즐 팁 조립체가 제조하기 용이하다는 것을 의미한다. 또한, 노즐 몸체와 채널 사이의 연결부에서는 낮거나 단지 매우 작은 압력 강하만이 발생한다.

노즐 몸체가 정사각형 또는 직사각형 단면적을 갖고 채널도 역시 정사각형 또는 직사각형 단면적을 갖는 경우가 유리한 것으로 입증되었다.

청구된 노즐 팁 조립체의 압력 강하를 추가로 감소시키기 위해, 각각의 채널의 단면적은 노즐 몸체와 채널 사이의 연결부로부터 시작하여 채널의 원위 단부에 있는 채널의 출구면을 향하여 증가한다는 것이 청구된다. 다시 말하면, 각각의 채널은 디퓨저(diffusor)이다. 그로 인해, 채널 내의 일차 공기 및 석탄 입자의 속도가 감소되고, 따라서 채널 내부의 압력 강하가 감소된다.

채널들의 원위 단부에서의 채널들의 단면적들의 합이 노즐 몸체와 채널들 사이의 연결부의 단면적들보다 1.4 내지 1.8배만큼, 바람직하게는 1.6배만큼 큰 경우가 유리한 것으로 입증되었다.

장애물의 간단하지만 효과적인 실시예에서, 이들은 채널의 2개의 대향 모서리들 사이에서 연장하는 막대(bar)의 형태를 갖는다.

그로 인해, 막대는 일차 공기가 출구면을 떠난 직후에 일차 공기 및 혼입된 입자에서 난류를 야기하는 데 효과적이다. 출구면들의 단면적들의 합이 노즐 몸체에 근접한 채널들의 단부에서의 채널들의 단면적들보다 크기 때문에, 장애물은 심한 압력 강하를 야기하지 않는다. 그 결과, 청구된 노즐 팁 조립체의 전체 압력 강하는 종래의 노즐 팁 조립체의 압력 강하와 유사하거나 그 보다 더 작다.

장애물이 각각의 채널의 단면적의 대략 50%를 커버하는 경우가 유리한 것으로 입증되었다.

청구된 석탄 노즐 팁 조립체의 추가의 이점은 노즐 몸체, 채널 및 장애물이 보통의 스테인리스 시트 금속(plain stainless sheet metal)으로 제조될 수 있다는 것이다. 이는 제조 및 보수를 용이하게 한다.

2개의 실시예가 상기 버너 팁에 대해 청구되는데, 하나는 비-틸팅(non-tilting)으로 고정되고 다른 하나는 틸팅하도록 되어있다. 틸팅 실시예에서, 버너 팁은 기존의 팁과 거의 동일한 방식으로 수평으로부터 최대 30도로 틸팅될 수 있고, 유사한 틸트 메커니즘을 사용할 수 있다.

추가의 실시예에서, 청구된 초저(Ultra-Low) NOx 버너 노즐의 NOx 배출물을 추가로 감소시키기 위해, 촉매가 노즐 팁 조립체의 내부 벽에 적용된다. 주입된 연료 내의 휘발성 물질의 촉매 연소는 휘발성 물질로부터 유래하는 NOx 종의 환원(reduction) 또는 고체 연료의 부분 연소에 유리한 온도에서 달성된다. 노즐 팁 조립체 내부에서의 촉매 연소는, 또한, 하류에서의 화염의 품질 및 노 내에서의 대응하는 감소된 NOx-배출물을 개선한다. 이러한 실시예는 틸팅 또는 고정된 노즐 팁 실시예에 동일하게 적용될 수 있다.

노즐 팁(들)의 출구면(들) 부근에서의 촉매 연소는, 또한, 화염의 품질 및 노 내에서의 대응하는 감소된 NOX 배출물을 개선한다.

본 발명의 일 실시예에서, 촉매는 500℃ 내지 900℃의 - 그러나 이것으로 제한하지 않음 - 바람직한 온도 범위에서 촉매 활성을 갖는 페로브스카이트형(perovskite-type)의 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 촉매는 금속으로 도핑된 란타늄 스트론튬 티탄산염(Lanthanum Strontium Titanate)이다. 그러한 금속은 Fe, Mn, 및 Co이며, 하지만 이것으로 제한되지 않는다.

추가의 이점이 도면, 그의 설명 및 청구범위에 개시되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 노즐 팁 조립체의 제1 실시예의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 노즐 팁 조립체의 단순화된 정면도이다.
도 3은 노즐 팁을 틸팅하기 위한 제2 실시예에 대한 노즐 팁 조립체의 단면도이다.
도 4는 제1 실시예의 단면도이다.
도 5는 제2 실시예의 단면도 및 정면도이다.
도 6은 도 1의 선 B-B를 따른 단면도이다(대체적으로 제1 및 제2 실시예에 적용됨).
도 7은 본 발명에 따른 노즐 팁 조립체의 더 상세한 정면도이다(대체적으로 제1 및 제2 실시예에 적용됨).

도 1은 청구된 노즐 팁 조립체(1)의 제1 실시예의 측면도를 도시한다. 혼입된 석탄 입자를 갖는 일차 공기가 적절한 덕트 설비(도시되지 않음)를 통해 미분탄기로부터 이송되고, 도 1의 좌측에서 노즐 팁 조립체(1)의 노즐 몸체(3)에 진입한다. 노즐 몸체(3)에는 4개의 채널(5)(이들 중 단지 2개만이 도 1에서 볼 수 있음)이 연결되어 있다. 대부분의 경우에 노즐 몸체(3)와 채널(5) 사이의 연결부(7)는 용접부이다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 채널들(5)은 서로로부터 분기한다. 다시 말하면, 채널의 종축(9)은 노즐 몸체(3)의 종축(11)에 대해 대략 5° 내지 10°의 각도를 포함한다.

이 실시예의 노즐 몸체(3)는 정사각형 단면적을 가질뿐만 아니라 4개의 채널(5) 각각도 정사각형 단면적을 갖는다.

도 2는 노즐 팁 조립체(1)의 단순화된 정면도를 도시하는데, 이는 그것이 단지 채널(5)의 벽 및 채널(5)의 각각의 출구면 내의 장애물(13)을 도시하기 때문이다. 도 3의 좌측 부분에서, 단일 장애물(13)이 도시되어 있다. 이러한 장애물(13)은 시트 금속으로부터 절단되어 채널(5) 내로 용접될 수 있다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 장애물(13)은 이들이 "단속된 정사각형(interrupted square)"을 형성하도록 배열된다. 채널들(5) 사이에는 어떠한 기능도 갖지 않는 중공 공간(50)이 있다. 대부분의 경우에, 이들은 내화물(도시되지 않음)로 충전된다.

도 3은 청구된 노즐 팁 조립체(1)의 제2 실시예의 측면도를 도시한다. 혼입된 석탄 입자를 갖는 일차 공기가 적절한 덕트 설비(도시되지 않음)를 통해 미분탄기로부터 이송되고, 도 3의 우측에서 노즐 몸체(3)(또는 석탄 버너 파이프)에 진입한다. 제2 실시예 및 제1 실시예의 노즐 몸체(3)는 일차 공기의 속도를 증가시킬 수 있다.

이러한 제2 실시예에서, 노즐 팁(1)은 한 쌍의 피벗 부재(16)에 의해 노즐 몸체(3) 또는 외부 슈라우드(20)에 피벗가능하게 연결된다. 피벗 부재(16)는 노즐 팁(1)이 축(대부분의 경우에 수평 축)을 중심으로 회전되거나 틸팅될 수 있게 허용하여서, 연료 및 연소 공기가 노의 수직 축에 대해 상향으로 또는 하향으로 지향될 수 있도록 한다. 노즐 팁(1)의 피벗식 연결은 대략 ± 30°의 범위 내에서 공기의 방향전환을 허용한다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 노즐 팁의 채널들(5)은 서로로부터 분기한다. 다시 말하면, 채널의 종축(9)은 노즐 팁(1)이 수평 위치에 있는 경우 노즐 몸체(3)의 종축(11)에 대해 대략 5° 내지 10°의 각도를 포함한다. 제2 실시예의 노즐 몸체(3)는 정사각형 단면적을 가질뿐만 아니라 4개의 채널(5) 각각도 정사각형 단면적을 갖는다.

일차 공기 및 혼입된 석탄 입자가 노즐 팁(1)에 진입하는 것을 보장하기 위해, 노즐 몸체(3)와 노즐 팁(1) 사이에 시일 플레이트(seal plate)(18)가 위치된다.

노즐 몸체(3) 및 대부분의 노즐 팁(1)은 이차 공기를 노(도시되지 않음) 내로 이송하기 위해 외부 슈라우드(20)에 의해 둘러싸인다. 이러한 실시예의 노즐 팁(1)과 외부 슈라우드(20) 사이의 갭이 노를 향해 더 좁아지기 때문에, 이차 공기의 속도는 그것이 노에 진입하기 전에 증가된다.

도 4에는 제1 실시예의 종단면이 도시되어 있다. 이러한 단면으로부터, 채널들(5) 사이의 중공 공간(15)을 볼 수 있다. 또한 채널(5)이 디퓨저로서 형성된다는 것을 알 수 있는데, 이는 연결부(7) 부근의 단면적이 채널(5)의 출구면(17) 부근의 단면적보다 작다는 것을 의미한다.

채널(5)의 외부 벽(23)과 노즐 몸체(3)의 종축(11) 사이의 각도 α1는 대략 8°이다. 채널(5)의 내부 벽(25)과 노즐 몸체(3)의 종축(11) 사이의 각도 α2는 대략 5°이다. 각도 α1은 5° 내지 15°의 범위일 수 있다. 각도 α2는 2° 내지 10°의 범위일 수 있다.

어쨌든, 각도 α1은 각도 α2보다 크다. 그 사실로 인해, 채널(5)은 디퓨저이고, 출구면(17)에서의 채널(5)의 단면적은 연결부(7)에서의 단면적보다 크다. 동일한 사항이 제2 실시예의 노즐 팁(1)에 관하여 적용된다.

도 5는 본 발명에 따른 노즐 팁(1)(제1 및 제2 실시예)의 단순화된 정면도를 도시한다. 도 2 이외에서는, 채널(5)의 각각의 출구면 내의 장애물(13)이 넓지 않다. 이들은 중공 공간(50)을 제한하는 채널(5)의 2개의 인접한 벽들 상에 용접된다.

도 6은 선 B-B를 따른 도면을 예시한다. 이는 채널(5)이 분기하고 있는 것을 예시한다. 이는, 예를 들어, 채널(5)의 내부 에지(19)를 바라봄으로써 알 수 있다. 이는 채널들(5)의 출구면들(17)이 서로로부터 멀리 떨어져 있다는 사실에 의해 추가로 알 수 있다. 각각의 채널 내의 장애물(13)의 작은 부분이 역시 도 5에서 볼 수 있다.

도 6은, 또한, 채널(5)의 각각의 벽이 보통의 시트 금속으로부터 절단될 수 있고, 청구된 노즐 팁 조립체가 이들 시트 금속 플레이트를 함께 용접함으로써 제조될 수 있다는 것을 도시한다. 도 6에서, 채널(5)의 외부 벽(23)을 연결하는 4개의 용접부(21)가 도면 부호 21을 갖는다.

도 7은 제1 실시예의 노즐 팁 조립체의 모든 가시 라인을 갖는 정면도를 도시한다. 이러한 정면도는 약간 혼란스러우며, 이러한 이유로, 단순화된 정면도가 도 3에 상세히 설명되었다. 도 7에서, 이러한 도면에 정보가 부과되는 것을 피하기 위해 도면 부호가 그려지지 않았다.

[부호의 설명]

1 석탄 노즐 팁 조립체

3 노즐 몸체

5 채널

7 노즐 몸체와 채널 사이의 연결부

9 채널의 종축

11 노즐 몸체의 종축

13 장애물

15 중공 공간

16 피벗 부재

17 출구면

18 시일 플레이트

19 채널의 내부 에지

20 외부 슈라우드

α 각도

21 용접부

23 채널(5)의 외부 벽

25 채널(5)의 내부 벽

27 촉매

Claims (15)

1. 스팀 발생 장치용 석탄 노즐 팁 조립체로서, 노즐 몸체(3) 및 상기 노즐 몸체(3)에 연결되는 수 개의 채널(5) - 상기 채널들(5)은 서로로부터 분기하도록 배열됨 - 을 포함하고, 상기 노즐 몸체(3)와 상기 채널들(5) 사이의 연결부로부터 원위에 있는 단부에서, 각각의 채널은 출구면(17)을 포함하고, 상기 출구면(17) 내에 장애물(obstruction)(13)이 배치되는, 석탄 노즐 팁 조립체.
2. 제1항에 있어서, 노즐 몸체(3)와 상기 채널들(5) 사이의 연결부에서, 상기 노즐 몸체(3)는 다각형 단면적을 갖고, 상기 채널들(5)은 다각형 단면적을 갖고, 상기 채널들(5)의 단면적들의 합산은 상기 노즐 몸체(3)의 단면적과 동일한 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
3. 제2항에 있어서, 노즐 몸체(3)와 채널들(5) 사이의 연결부에서, 상기 노즐 몸체(3)는 정사각형 또는 직사각형 단면적을 갖고, 상기 채널들(5)은 정사각형 또는 직사각형 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 채널(5)의 단면적은 노즐 몸체(3)와 채널들(5)의 그룹 사이의 연결부(7)로부터 시작하여 상기 채널들(5)의 원위 단부들에서의 상기 출구면(13)을 향하여 증가하는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널들(5)의 원위 단부들에서의 각각의 채널(5)의 단면적은 노즐 몸체(3)와 상기 채널들(5) 사이의 연결부(7)에서의 그들의 단면적보다 1.4 내지 1.8배, 바람직하게는 1.6배만큼 큰 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장애물(13)은 상기 채널들(5)의 2개의 대향 모서리들 사이에서 연장되는 막대(bar)의 형태인 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장애물(13)은 그의 출구면(17)의 단면적의 대략 50%를 커버하는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 몸체(3), 상기 채널(5) 및 상기 장애물(13)은 보통의 시트 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 팁(1)은 이차 공기(9)를 이송하는 외부 슈라우드(20)에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐 팁(1)은 피벗 부재(16)에 의해 상기 노즐 몸체(3)에 피벗가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
11. 제10항에 있어서, 상기 노즐 팁(1)과 상기 노즐 몸체(3) 사이에 시일 플레이트(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매(27)가 상기 장애물(13)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
13. 제12항에 있어서, 상기 촉매(27)는 금속으로 도핑된 란타늄 스트론튬 티탄산염(Lanthanum Strontium Titanate)인 것을 특징으로 하는, 석탄 노즐 팁 조립체.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 석탄 노즐 팁 조립체 및 노(furnace)를 포함하는 스팀 발생 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 석탄 노즐 팁 조립체(1)로부터 멀리, 이차 공기를 상기 노 내로 이송하기 위한 적어도 하나의 덕트가 상기 노 내로 개방되는 것을 특징으로 하는, 스팀 발생 시스템.

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