锅炉热效率测定计算的简易快捷方法
㈠ 采用简易方法测试锅炉热效率的可行性
依据现有标准进行锅炉热工测试和计算热效率的结果也存在一定误差，并非*。我局湘质监特发［2009］99号文件附件3统计，市州特检机构按正规的热工测试方法进行测试需要采购配备大量仪器和设备，需要投入66.84万元。恕我直言，目前地市级特种设备检验所经济实力不强的情况下，花费近七十万元购买锅炉热效率测试的设备仪表（还不含煤质、飞灰和炉渣可燃物含量的测量设备——测量这两项还要取样送到长沙等检测单位进行）是不现实的。本人建议，只要配备6.5万元的先进分析仪和设备（还包含相应煤质分析、飞灰和炉渣可燃物含量的测量设备），采取简易而快捷的方法对燃煤锅炉的热效率进行检测，就可以尽快对燃煤锅炉进行热效率测试；不必花费大量资金、配备大量仪器和设备做为投入，使得燃煤锅炉能效测试工作滞后，影响高耗能锅炉监察工作的开展。本人持有这种想法的根据如下：
在对在用燃煤锅炉进行热效率测试时，只要在现场测量锅炉排烟温度 ex，烟气中一氧化碳的含量co，氧含量o，冷空气温度tl.a，测定换算得到炉膛的过量空气系数α，如果锅炉运行中有蒸汽喷入炉膛，则记录喷口尺寸和蒸汽压力；然后取回煤样、炉渣和飞灰样返回到检验机构检测出煤的收到基低位发热量qnet，ar，煤的灰分收到基质量百分数aar，飞灰可燃物cf.a，炉渣可燃物含量（含碳量）csl等，就可以根据燃用煤的化验分析数据，按照下面所述的方法计算燃煤锅炉的热效率（误差在1.5%左右）和耗煤量，推导锅炉的运行状况。
而燃油、燃气锅炉的热效率测试就更容易进行，只需要在现场进行测量锅炉排烟温度，烟气中一氧化碳的含量、氧含量，冷空气温度，测定换算得到炉膛的过量空气系数就行了，无须采样分析。
这是因为按照常规，燃气供应单位应该向也应向使用单位提供燃气的成分（如果燃料供应单位确实无法出具燃料的成分分析资料，只好取样送到具备燃料的成分分析设备的单位进行化验）；而按相关规定，燃油锅炉用代表性0号柴油的组成质量成分是：
wy 0%，ay 0.01%，cy 85.55%，hy 13.49%，oy 0.66%，ny 0.04%，sy 0.25%；低位发热量为42900kj/kg。
因此，地市级特种设备检验所只要配备少量设备和仪表，就可以进行各种锅炉的热效率测试。
㈡ 热效率简易快捷测试所用设备和仪表
⑴ 现场使用的便携式仪表
如上所说，现场使用的便携式仪表应能在现场测定换算得到炉膛的过量空气系数α，冷空气温度tl.a，排烟温度 ex，烟气中一氧化碳的含量co，氧含量o。
经网上搜索查询，只有北京乐氏联创科技有限公司经销的ecom-200n燃烧效率分析仪可以满足上述要求。该分析仪系德国rbr测量技术公司生产的经济型烟气燃烧测量分析仪，很适合工业锅炉的热效率检测。注意，此分析仪分单组分（o2或co），两组分（o2/co）两种；应采用两组分的ecom-200n分析仪；因为只有两组分的分析仪才能同时测量o2、co两组分气体及烟气温度、冷空气温度、压力和计算过量空气系数α、co2、燃烧效率、排烟热损失、露点等参数，满足锅炉热效率必须在现场测定的相关参数。
北京乐氏联创科技有限公司两组分的ecom-200n分析仪的配置是：
① 两组分o2/co
② 测量烟气温度、压力、差压
③ 计算co2、燃烧效率、过量空气系数α等参数
④ 大屏幕lcd图文液晶显示，带背景光
⑤ 大功率采样气泵
⑥ 200mm（150mm）探管，3米（1.5米）取样管线可选
⑦ 在线颗粒物过滤器单元，带冷凝水收集
⑧ rs232数据接口
⑨ 无数据存储器，热敏打印机可选
⑩ 充电电池
仪表测量的参数量程、分辨率如下：
测量参数
量 程
分辨率
o2 （o）
0～21%vol.
0.1%vol.
co （c）
0～2000ppm
1ppm
烟气温度
0～650℃
1℃
环境空气温度
0～100℃
1℃
压力
±20hpa
0.01hpa
co2
0～co2max
0.1%
燃烧效率
0～99.9%
0.1%
排烟热损失
0～99.9%
0.1%
过量空气系数
1…
0.01
全套的两组分的ecom-200n分析仪有lcd图文显示，带背景灯；精细多级过滤器单元，有效过滤烟尘和颗粒物；内置热敏打印机，打印58mm宽打印纸；采样探管手柄和探管长300mm，带有3通道采样软管3米；探头，分别测量温度和压力，环境温度测量导线1.5米；测量完毕后清新空气清洗传感器；市电/蓄电池工作由内置切换模块供电；标准仪表箱；尺寸: ± 150 x 170 x 63 mm；重量：约1.5kg（含采样探管）；附带 1卷打印纸、中英操作手册、出厂标定证书。
北京乐氏联创科技有限公司ecom-200n分析仪的报价为19600元/台；下浮折扣为25%，优惠价为14700元/台。ecom-200n分析仪产品介绍见附件一。
这台上先进的分析仪可以基本取代［2009］99号文件附件3列出的能效测试设备。
⑵ 检验机构固定的设备仪器
检验机构固定的设备仪器用于测定煤的收到基低位发热量、煤的灰分收到基质量百分数、飞灰和炉渣可燃物含量。煤的收到基低位发热量可以采用量热仪进行测定。煤的灰分收到基质量百分数、飞灰和炉渣可燃物含量可以在抽取试样后采用智能温控一体化马弗炉、分析天平进行测定。
按《煤的工业分析方法》gb212－2001第4.1条和dl/t 567.6－95《飞灰和炉渣可燃物测定方法》第3.2条的规定，所采用的仪器设备如下：
① 马弗炉：能保持温度为815±10℃，炉膛有足够的恒温区；炉后壁的上部带有直径为25～30mm的烟囱，下部离炉膛底盘20～30mm处有一个插热电偶的小孔，炉门上有一个直径为20mm的透气孔。
② 分析天平：感量0.0001g。
③ 瓷灰皿：长方形，底长45mm，宽22mm，高14mm。
④ 破碎机
⑤ 制样机
煤的灰分测定分析步骤如下：
① 在预先灼烧至质量恒定的灰皿中，称取粒度小于0. 2 mm的空气干燥煤样（1±0. 1）g，称准至0. 000 2 g，均匀地摊平在灰皿中，使其每平方厘米的质量不超过0. 15 g。
② 将灰皿送入炉温不超过 100℃的马弗炉恒温区中，关上炉门并使炉门留有 15 mm左右的缝隙。在不少于30 min的时间内将炉温缓慢升至 500℃，并在此温度下保持 30 min。继续升温到（815±10）℃，并在此温度下灼烧 1 h。
③ 从炉中取出灰皿，放在耐热瓷板或石棉板上，在空气中冷却5 min左右，移入干燥器中冷却至室温（约 20 min）后称量。
④ 进行检查性灼烧，每次20 min，直到连续两次灼烧后的质量变化不超过0.001 0 g为止。以zui后一次灼烧后的质量为计算依据。灰分低于15.00％时，不必进行检查性灼烧。
空气干燥煤样的灰分按下式计算：
aad＝ ×
式中aad——空气干燥煤样的灰分，单位为百分数（％）；
m——称取的空气于燥煤样的质量，单位为克（g）；
m1——灼烧后残留物的质量，单位为克（g）。
空气干燥煤样的灰分aad可按《工业锅炉技术》表1－5的换算因子转换为灰分的收到基质量百分数aar。
飞灰和炉渣可燃物测定分析步骤如下：
① 按dl/t 567.3－95《飞灰和炉渣样品的采集》采集飞灰或炉渣样品；
② 按dl/t 567.4－95《入炉煤、入炉煤粉、飞灰和炉渣样品的制备》制备出粒度小于0.2mm的灰渣样品；
③ 按gb212中缓慢灰化法测定灰、渣的灰分（aad %）。
依据测定的飞灰或炉渣灰、渣的灰分（aad %），按下式进行计算就得到可燃物含量
cmad＝100－aad %
式中cmad——空气干燥基灰渣样的可燃物含量，%。
经网上搜索查询，只有上海欧锐仪器设备有限公司和河南省鹤壁市的多家单位（例如，鹤壁市华源仪器仪表有限公司、鹤壁华益科技有限公司和鹤壁市热工仪表仪器厂）可以能提供炉膛有足够的恒温区的箱形电炉（温度为815±10℃）、感量0.0001g的分析天平（听说是上海产的天平）、瓷灰皿、破碎机和制样机；但不能提供自己生产的量热仪。与河南省鹤壁市的上述三家单位和电子邮件后，在两天之内，只有鹤壁华源仪器仪表有限公司从网上报来能提供的产品介绍与价格表（见附件二）；而且破碎机和制样机的体积和功率很大，需要使用380v的三相电源。
上海欧锐仪器设备有限公司是早生产量热仪、测硫仪、高温炉等煤质分析仪器制造之一；该公司制造的智能温控一体化马弗炉（加送10个瓷灰皿和制样机）价格为15000元。该公司制造的df－4型电磁粉碎机（体积小，使用220v的电源）价格为2000元。该公司制造的101型/202型干燥箱价格为1500元。该公司制造的量热仪有两种，well9000型全自动精密快速智能量热仪价格为为8万元；or2010型自动快速量热仪价格为2.8万元；该公司能提供的国产分析天平有两种，一种价格为3200元，另一种价格为3800元。该公司产品介绍见附件三。
纳博热（上海）工业炉有限公司不知怎么从网上获得我们采购设备的信息，说能提供德国制造的马弗炉，价格至少要3.3万元。
本人主张购买上海欧锐仪器设备有限公司的产品，而且量热仪选购低价位的or2010型自动快速量热仪就行了。理由是上海欧锐仪器设备有限公司是国内的老制造，按说产品产量好，信誉度也好。而河南的制造（例如鹤壁华源仪器仪表有限公司等单位）自己不能制造量热仪，产品不齐全。如果选购上海欧锐仪器设备有限公司的配套产品，价格合计才5.03万元；就可以适应锅炉热效率测试时对煤的收到基低位发热量、煤的灰分收到基质量百分数、飞灰和炉渣可燃物含量等参数的测定了。
㈢ 锅炉简易测试的热效率计算方法
⑴ 正常情况下，煤中灰分收到基质量百分数aar和锅炉的输入热量qin为常数，飞灰可燃物与灰渣可燃物含量决定q4的大小。q4可按下式计算：
q4＝（32866.4aar/ qin）［af.a·cf.a/（100－cf.a）＋asl·csl/（100－csl）］ % （1）
式中q4——锅炉固体不*燃烧热损失，%；
aar——燃料中灰分的收到基质量百分数，%；
qin——锅炉的输入热量，kj/kg；锅炉的输入热量按《工业锅炉技术》式（1－64）或式（2－4）进行计算；
af.a——飞灰中灰量占入炉煤总灰分的质量份额；
cf.a——飞灰可燃物含量的百分数，%；
asl——炉渣中灰量占燃料总灰分的质量份额，
csl——炉渣可燃物含量（含碳量）的百分数，%。
对于煤粉锅炉，当燃用煤种一定时，燃料中灰分的收到基质量百分数aar和锅炉的输入热量qin为常数，固态排渣煤粉炉因灰渣量小，可燃物含量低，对q4的影响可忽略不计或当作定值，q4仅与飞灰中灰量占入燃煤总灰分的质量份额cf.a有关。这样，可按下列公式计算确定cf.a每变化1%对q4的影响值。
q4=32866.4× （aar /qin ） ×af.a·cf.a /（100－cf.a ） % （2）
式中符号说明同前。
锅炉的输入热量由以下各项组成：
qin＝qnet，ar＋ifue＋qs＋qfo kj/kg （3）
式中qin——锅炉的输入热量，kj/kg；
qnet，ar——煤的收到基低位发热量，kj/kg；
ifue——煤的物理显热，kj/kg；
qs——喷入锅炉的蒸汽带入的热量，kj/kg；可根据喷口面积和蒸汽压力按grashof公式（《工业锅炉技术》式2－1）计算喷入的蒸汽量，依其热焓进行换算；
qfo——用外来热源加热空气带入的热量，kj/kg；按实际情况进行计算。
当燃料为煤时，其物理显热
ifue＝ccotco kj/kg （4）
式中ifue——煤的物理显热，kj/kg；
tco——煤的温度，℃；
cco——煤的比热容，kj/（kg·℃）；按下式（1－37）确定
cco＝ ＋ c （5）
式中cco——煤的比热容，kj/（kg·℃）；
c ——干煤的比热容，kj/（kg·℃）；
mar——收到基水分，%。
没有外在水分的干煤比热容c 在常温下的数值见表1。
干煤的比热容表1
煤的类别
干煤的比热容c
kj/（kg·℃）
煤的类别
干煤的比热容c
kj/（kg·℃）
无烟煤、贫煤
0.92
褐煤
1.13
烟煤
1.09
油页岩
0.88
如果煤未经预热，只有当煤的水分符合下式条件时，才需要考虑煤的物理显热；这时煤的温度一般取为20℃。
mar≥ % （6）
式中mar——煤的收到基水分，%；
通常mar＜ ，故多数情况下ifue可以忽略不计。如果 qs、qfo也为零，则锅炉的
输入热量qin就等于燃料收到基低位发热量qnet，ar。这种情况下，式（1）和式（2）中的qin就可以用qnet，ar代替。
⑵ 排烟温度 ex和过量空气系数αex决定排烟热损失q2的大小。可以根据氧量表测量得到的烟气中的含氧量o，可按下式推算出排烟过量空气系数
αex＝ （7）
式中αex——排烟过量空气系数；
o——烟气中的含氧量，%。
再按下式计算锅炉出口的平均过量空气系数
αav＝（α＋αex）/2 （8）
式中α——锅炉炉膛过量空气系数。
炉膛过量空气系数α可以使用仪表在现场测试换算得出。
然后按下式计算锅炉排烟热损失q2
q2＝ % （9）
式中q2——锅炉排烟热损失，%；
αex——排烟过量空气系数；
i ——理论冷空气焓，kj/kg；一般，取冷空气温度为20℃查得空气焓（c ）a，再计算；
q4——固体不*燃烧热损失，%；
qin——锅炉的输入热量，kj/kg；同上，如果 qs、qfo为零，且mar＜ ，ifue可以
忽略不计，则qin就等于燃料收到基低位发热量qnet，ar；
iex——相应于排烟过量空气系数αex和排烟温度 ex条件下的烟气焓，kj/kg；按下式进行计算；
iex＝i ＋（α－1） i kj/kg （10）
式中iex——燃料燃烧后产生的烟气焓，kj/kg；
i ——理论烟气焓，kj/kg；
i ＝ （c ） ＋v （c ） ＋v （c ） （11）
i ——理论空气焓，kj/kg；
i ＝v0（c ）a （12）
1nm3三原子气体的焓（c ） 、氮气的焓（c ） 、水蒸汽的焓（c ） 、空气的焓（c ）a可从《工业锅炉设计计算 标准方法》“层状燃烧及流化床燃烧工业锅炉热力计算方法”附录b的表b8查得。
其他符号说明同前。
这样，可通过计算可以确定 ex每变化1℃和o每变化1%对q2的影响值。
⑶ 根据实测烟气中一氧化碳的含量co，按如下近似计算公式来计算气体不*燃烧热损失q3的大小：
q3＝3.2αex·co （13）
式中q3——气体不*燃烧热损失，%；
αex——排烟过量空气系数；
co——排烟中的一氧化碳含量，%。
这样，就可以根据co值变化确定q3的大小。
⑷ 根据《工业锅炉热工性能试验规程》gb/t10180－2003的规定，对于散装蒸汽锅炉，可按查该标准表d.1锅炉散热损失q5；对于散装热水锅炉，可按查该标准表d.2锅炉散热损失q5；对于快、组装锅炉（包括燃油、气锅炉和电加热锅炉）的散热损失q5，可近似地按下式计算
q5＝ ×100% （14）
式中f——锅炉散热表面积，m2；
b——燃料的消耗量，kg/h或nm3/h；
qin——锅炉的输入热量，kj/kg或kj/nm3。
⑸ 根据《工业锅炉热工性能试验规程》gb/t10180－2003的规定，灰渣温度可以实测或按经验数据。作为简易测试计算，1kg灰的焓（c ）ash可由《工业锅炉设计计算 标准方法》“层状燃烧及流化床燃烧工业锅炉热力计算方法”附录b的表b8查得。查表时，层燃炉的炉渣温度一般取为600℃。因此，按煤质化验报告，根据燃料中灰分的收到基质量百分数aar，灰渣物理热损失q6可以按公式（1－81）或（1－82）计算得出。
对于层燃炉
q6＝ % （15）
式中q6——层燃炉灰渣物理热损失，%；
asl——灰渣含灰量占炉前燃料总灰量的百分比；对于链条炉排，asl取为0.8。
aar——燃料中灰分的收到基质量百分数，%；
qin——锅炉的输入热量，kj/kg；
（c ）ash——1kg灰的焓，kj/kg；由《工业锅炉设计计算 标准方法》“层状燃烧及流化床燃烧工业锅炉热力计算方法”附录b的表b8查得；层燃炉的炉渣温度一般取为600℃。
对于流化床炉
q6＝q6o.a＋q6c.as＋q6d.a % （16）
式中q6——流化床炉灰渣物理热损失，%；
q6o.a——溢流灰物理热损失，%；
q6o.a＝ % （17）
q6c.as——冷灰（渣）物理热损失，%；
q6c.as＝ % （18）
q6d.a——烟道灰物理热损失，%；
q6d.a＝ % （19）
当流化床锅炉中燃用油页岩时， （17）、（18） 、（19）中的aar应以aar－（co2）g.cb代替。
溢流灰温度等于沸腾层温度，冷灰（渣）温度等于沸腾层/密相区温度减50～100℃。
由鼓泡流化床炉燃尽室分离出来的烟道灰，应考虑它的物理显热损失，并取它的温度等于燃尽室出口烟温。而由对流烟道分离出来的烟道灰物理显热损失略去不计。
⑹ 根据测试计算结果，可以计算出锅炉热效率η。
因为可以按上述公式计算出锅炉排烟热损失q2、气体不*燃烧热损失q3和固体不*燃烧热损失q4，而锅炉散热损失q5和灰渣物理热损失q6可以按煤及其燃烧的公式进行计算或从《工业锅炉热工性能试验规程》gb/t10180－2003相应的表中查得，因此可以按下列公式计算锅炉热效率η：
η＝q1＝100－∑q＝100―q2―q3―q4―q5―q6 % （20）
式中η——锅炉热效率，%；
∑q——锅炉的各项热损失之和，%；
q1——锅炉输出热百分率，%；
q2——锅炉排烟热损失，%；
q3——锅炉气体不*燃烧热损失，%；
q4——锅炉固体不*燃烧热损失，%；
q5——锅炉散热损失，%；
q6——灰渣物理热损失，%。
备注：因为锅炉热效率测试在这里需要的掌握是锅炉运行的情况，不是设计锅炉；所以，气体不*燃烧热损失q3值不可从《工业锅炉设计计算 标准方法》“层状燃烧及流化床燃烧工业锅炉热力计算方法”附录b查取。
为便于掌握燃煤锅炉热效率简易测试的计算方法，下面举例说明。
例如 某单位有一台蒸发量为30t/h链条式蒸汽锅炉，燃煤的收到基组成成分为：挥发分vdaf＝35.80%，碳car＝56.20%，氢har＝3.59%，氧oar＝4.55%，氮nar＝1.51%，硫sar＝0.37%，灰分aar＝26.88%，水分mar=6.90%；收到基低位发热量qnet，ar＝20900kj/kg；煤耗量b＝6t/h；锅炉没有用外来热源加热空气带入的热量，也没有向炉内喷入蒸汽；根据化验和测量结果得出锅炉飞灰可燃物cf.a＝5.5%，炉渣含碳量csl＝7.5%，飞灰中灰量占燃料总灰分的质量份额af.a＝15%，炉渣中灰量占燃料总灰分的质量份额asl＝85%；经现场仪表测量换算得到炉膛的过量空气系数α＝1.3；实测冷空气温度tl.a＝20℃，排烟温度 ex＝260℃，烟气中一氧化碳的含量co＝10%，氧含量o＝10%。求锅炉热效率和单位时间损失的煤量。
由于
mar＝6.90（%）＜ ＝28.1（%）
煤的物理显热ifue可以忽略不计；且锅炉没有用外来热源加热空气带入的热量，也没有向炉内喷入蒸汽，qs、qfo为零，所以锅炉的输入热量qin等于燃料收到基低位发热量qnet，ar。因此，按公式（1）计算锅炉固体不*燃烧热损失
q4＝（32866.4aar/ qnet，ar）［af.a·cf.a/（100－cf.a）＋asl·csl /（100－csl）］
＝32866.4×26.88/20900［0.15×5.5/（100－5.5）＋0.85×7.5/（100－7.5）］
＝3.28（%）
每小时损失的原煤量
b4＝b·q4＝6×3.28%＝0.197（t/h）
按 （7）计算锅炉的排烟过量空气系数
αex＝ ＝ ＝2.1
按公式（8）计算锅炉出口的平均过量空气系数
αav＝（α＋αex）/2＝（1.3＋2.1）/2＝1.7
按《工业锅炉技术》公式（1－41）计算1kg煤*燃烧所需的理论空气量
v0＝0.0889（car＋0.375sar）＋0.265har－0.0333oar
＝0.0889（56.2＋0.375×0.37）＋0.265×3.59－0.0333×4.55
＝5.808（nm3/kg）
按《工业锅炉技术》公式（1－53）计算烟气中的理论氮气量
v ＝0.79v0＋0.8 ＝0.79×5.808＋0.8× ＝4.600（nm3/kg）
按《工业锅炉技术》公式（1－54）计算烟气中的三原子气体量
＝0.01866（car＋0.375sar）＝0.01866（56.20＋0.375×0.37）＝1.051（nm3/kg）
按《工业锅炉技术》公式（1－55）计算烟气中的理论水蒸汽量
v ＝0.111har＋0.0124mar＋0.0161v0
＝0.111×3.59＋0.0124×6.90＋0.0161×5.808
＝0.578（nm3/kg）
按排烟温度 ex＝260℃，用插入法从《工业锅炉设计计算 标准方法》“层状燃烧及流化床燃烧工业锅炉热力计算方法”附录b的表b8中查得烟气中三原子气体焓（c ） ＝487.28 kj/nm3，氮气焓（c ） ＝339.16kj/nm3，水蒸汽焓（c ） ＝399.42kj/nm3；冷空气焓（c ）a＝26.48kj / nm3。
按《工业锅炉技术》公式（1－59）计算锅炉排烟的理论焓
i ＝ （c ） ＋v （c ） ＋v （c ）
＝1.051×487.28＋4.600×339.16＋0.578×399.42
＝2303.13（kj/kg）
按《工业锅炉技术》公式（1－60）计算理论冷空气焓
i ＝v0（c ）a＝5.808×26.48＝153.80（kj/kg）
按《工业锅炉技术》公式（1－58） 计算锅炉排烟的实际焓
iex＝i ＋（αex－1） i ＝2303.13＋（2.1－1）×153.80＝2472.31（kj/kg）
按《工业锅炉技术》公式（1－73）计算锅炉排烟热损失
q2＝ ＝ ＝9.95%
根据实测烟气中一氧化碳的含量co＝%，按《工业锅炉技术》公式（2－8）计算气体不*燃烧热损失：
q3＝3.2αex·co＝3.2×2.1×0.10＝0.672%
此单位30t/h锅炉系散装锅炉，可按《工业锅炉热工性能试验规程》gb/t10180－2003的规定查该标准表d.1，得出此锅炉散热损失q5＝1.17%；
1kg灰的焓（c ）ash 按层燃炉的炉渣温度为600℃，从《空气和烟气以及灰的焓表》可查得
（c ）ash ＝560.2kj/kg；
由于链条炉排灰渣含灰量占炉前燃料总灰量的百分比asl应取为0.8，因此，灰渣物理热损失可以按公式（15）进行计算
q6＝ ＝ ＝0.58%
按公式（2－10）计算锅炉热效率η
η＝100―q2―q3―q4―q5―q6
＝100―9.95―0.672―3.28―1.17―0.58＝84.35%
锅炉热效率测试单位可转化为计算表格进行上述计算。如果能开发出软件进行计算则更好。
刘赠初
2009年12月14日
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