生態(tài)文明建設約束下的煤炭清潔利用

連文威，張 艷，閆 強，周鳳英

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國地質科學院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037)

煤炭作為中國的主體能源，煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與日益突出的環(huán)境問題已成為社會廣泛關注的話題。隨著中國對煤炭需求量的逐年增加，煤炭產(chǎn)業(yè)對環(huán)境影響也越來越嚴重，而在綠色低碳發(fā)展的大背景下，傳統(tǒng)煤炭技術產(chǎn)業(yè)已經(jīng)很難適應如今的社會形式，清潔高效的煤炭技術是改變煤炭產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，實現(xiàn)煤炭可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。

2015年我國煤炭消費總量占能源消費總量的65%，產(chǎn)量占73%[1]，煤炭在能源結構中仍然占據(jù)主導地位。全國污染物排放總量中，60%的懸浮顆粒、超過70%的CO2與NOx及90%的SO2來自燃煤排放，是大氣污染物排放的主要來源(圖1)。

目前，我國各企業(yè)正在著力發(fā)展新型煤炭清潔利用技術，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(簡稱IGCC)、超超臨界燃煤發(fā)電、循環(huán)流化床燃煤發(fā)電(簡稱CFB)、分級轉化發(fā)電；新型煤化工項目(煤制烯烴、煤制油、煤制天然氣、煤制乙二醇等)；CO2捕集利用封存技術以及煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等(圖2)。

本文將對我國煤炭清潔利用現(xiàn)狀進行介紹，并重點在煤化工、煤電以及煤炭燃料原料上進行環(huán)境與資源方面的對比分析，提出我國目前煤炭清潔利用存在的問題，最后給出相關的建議與結論。

圖1 燃煤污染物排放比例圖(資料來源：文獻[2])

1 我國煤炭清潔發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1.1 新型煤炭發(fā)電技術

目前我國發(fā)展的基于煤炭發(fā)電技術主要有IGCC、超超臨界燃煤發(fā)電、循環(huán)流化床燃煤發(fā)電、分級轉化發(fā)電等。其中IGCC通過煤炭氣化后得到合成氣，凈化后用于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電技術。將煤氣化技術和高效的聯(lián)合循環(huán)相結合，提高了發(fā)

電效率并降低了污染物的排放，是世界上公認最清潔的燃煤發(fā)電技術[4-5]。2013年中國華能集團公司首次在天津試運行IGCC電廠，自投產(chǎn)以來，機組穩(wěn)定運行的能力不斷提升，目前已為社會提供了超過39億kW·h的電能。

超超臨界燃煤技術是在超臨界燃煤技術上的更高參數(shù)燃煤發(fā)電方式，SO2與CO2排放量與資源利用率上，都優(yōu)于超臨界燃煤機組。截至2015年9月底，我國1 000 MW的超超臨界燃煤機組投產(chǎn)已投產(chǎn)82臺，燃燒水蒸氣溫度均在600 ℃，目前正在研發(fā)具有更高效率更低能耗的700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電(圖3)。

截至目前，我國已超過3 000個循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電機組投入運行，總裝機容量達到1×108kW[6]，擁有世界首臺最大容量四川白馬60萬kW超臨界循環(huán)硫化床示范電站，已掌握循環(huán)硫化床鍋爐核心技術，目前全國共有5臺35萬kW超臨界循環(huán)流化床機組已投入商業(yè)運營。分級轉化發(fā)電突破了原有的燃煤發(fā)電方式，將煤炭同時作為原料和燃料，熱解、氣化、燃燒等過程有機結合，循環(huán)流化床鍋爐與流化床熱解氣化爐相結合，實現(xiàn)了煤炭階梯式分級利用[7]。2015年，分級轉化技術與嵊州新中港熱電公司達成建設示范工程項目合作意向，將新中港熱電4臺蒸發(fā)量共440 t/h高溫高壓循環(huán)流化床熱電機組改造為分級轉化多聯(lián)產(chǎn)機組，可在發(fā)電量和供汽量不減的同時，年產(chǎn)液化天然氣約4 800 t，重質燃料油約3 900 t，新增產(chǎn)值約3.1億元。

圖2 煤炭利用物質流圖(資料來源：文獻[3])

1.2 新型煤化工

新型煤化工是以煤氣化為核心技術，將煤作為生產(chǎn)原料，轉化為液態(tài)、氣態(tài)或固態(tài)燃料以及化學品的工藝過程。我國的新型煤化工分布概況見表1。

注：700 ℃數(shù)據(jù)為實驗預測數(shù)據(jù)圖3 超臨界發(fā)電機組效率圖(資料來源：公開資料整理)

表1 中國投產(chǎn)、在建、擬建煤化工項目地區(qū)分布表

煤化工項目主要分布地區(qū)煤制油山西、云南、內(nèi)蒙古煤制天然氣新疆、山西、內(nèi)蒙古煤制其他新疆、內(nèi)蒙古、山西、山東、河南、江蘇等

資料來源：中國地質科學院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心資料。

目前我國已經(jīng)形成了較為成熟的煤制烯烴技術，截至2015年底，煤制烯烴的產(chǎn)量達到近600萬t。2016年，國內(nèi)已有9套煤制烯烴裝置投產(chǎn)，設計產(chǎn)能達744萬t/a，在建項目9項，設計產(chǎn)能740萬t/a，擬建項目6項，設計產(chǎn)能400萬t/a。我國對乙二醇的市場需求量很大并且在逐年提高。2016年煤制乙二醇產(chǎn)能達到212萬t/a，實際產(chǎn)量為115萬t，投產(chǎn)項目主要分布于河南、新疆和內(nèi)蒙古等地，目前在建的煤制乙二醇項目共8個，設計產(chǎn)能260萬t/a。2016年底，全國煤制油項目投產(chǎn)達到9個,共計產(chǎn)能715萬t/a，項目總體投資達到1 193億元，在建以及擬建項目產(chǎn)能共計1 840萬t/a[8]。同年，我國煤制天然氣示范性項目共有5個，分別為湖北荊州40億m3/a、大唐發(fā)電內(nèi)蒙古赤峰克旗設計產(chǎn)能40億m3/a，2016年已投產(chǎn)13.3億m3/a、內(nèi)蒙古匯能鄂爾多斯16億m3/a、新疆慶華集團伊犁55億m3/a的天然氣項目和內(nèi)蒙古建峰煤化工16億m3/a煤制合成氣，總產(chǎn)能為140億m3/a。后期又陸續(xù)有多個煤制氣項目獲得國家發(fā)展改革委核準，2017年，新疆伊犁新天20億m3/a的煤制天然氣項目目前也處于穩(wěn)定生產(chǎn)階段[9](除參考文獻數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)來源于中國地質科學院全球礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略研究中心資料)。

1.3 碳捕獲、利用及封存技術

碳捕獲技術(簡稱CCS)是指通過對CO2收集的形式對工業(yè)中產(chǎn)生的CO2進行捕獲封存的技術，可以有效的降低并收集排入大氣中的CO2，是實現(xiàn)碳循環(huán)利用的一種手段。目前主要有三種方式：燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集。其中燃燒前捕集主要與IGCC相結合，進行煤氣化的同時將CO2進行分離，高效回收CO2；燃燒后捕集是對普通電廠所排出的CO2進行捕獲的手段，但由于CO2濃度低，壓力小等因素，捕獲的運行成本較高。富氧燃燒捕集是一種通過含氧純度很高的氧氣進行助燃、加壓，使CO2排出的濃度、壓力與IGCC相當，從而達到高效的碳收集效果。現(xiàn)在碳捕獲封存(CCS)技術又向碳捕獲、利用封存(CCUS)理念轉變[3]。通過回收再利用的方式達到CO2零排放的效益。

2009年華能上海石洞口第二電廠600 MW機組10萬t CCS項目投產(chǎn)。2010年，全球第一個將CO2封存在咸水層的全流程CCS項目——神華集團CCS工業(yè)化示范項目開工，設計年捕獲能力10萬t。目前正在進行中的中澳碳捕集利用與封存一體化國際合作示范項目，是中國首個大型CCS示范項目，項目完成后預計可捕獲CO2量為41萬t/a。

1.4 煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種煤炭高度清潔系統(tǒng)，以煤炭的綜合高效利用以及節(jié)能減排為目的，以煤氣化為核心，將獨立的煤電與獨立的煤化工有機耦合，實現(xiàn)污染物以及產(chǎn)品內(nèi)循環(huán)，提高資源利用率以及產(chǎn)品(甲醇、二甲醚等)附加值的同時降低污染排放量并發(fā)電的綜合清潔高效系統(tǒng)[3，10]。

“十五”期間，兗礦集團與中國科學院工程熱物理研究所完成了煤氣化發(fā)電與甲醇聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)關鍵技術研發(fā)與示范。目前，我國煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)剛剛進入工業(yè)化示范階段，隨著清潔高能效理念的不斷深化，煤基多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將日趨成熟[11]。

2 傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)與清潔煤炭產(chǎn)業(yè)對比

目前，我國正處于煤炭產(chǎn)業(yè)深化改革階段，傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)正在向清潔煤炭產(chǎn)業(yè)過渡，隨著低碳化清潔化產(chǎn)業(yè)技術的迅速發(fā)展，煤炭產(chǎn)業(yè)清潔利用在我國總煤炭利用比例中逐年增加，但傳統(tǒng)煤電、煤化工等行業(yè)仍占據(jù)很大比重。本文就污染物排放、資源利用方面對煤化工、煤電以及煤燃/原料進行對比，分析在生態(tài)環(huán)境壓力下煤炭產(chǎn)業(yè)走向清潔化的必要性。

2.1 傳統(tǒng)煤化工與現(xiàn)代煤化工

傳統(tǒng)煤化工行業(yè)主要包括煤焦化、煤合成氨等化工技術，新型煤化工主要包括煤制油、煤制氣、煤制烯烴、煤制乙二醇等。煤化工主要大氣污染物排放系數(shù)見表2。

表2 煤化工主要大氣污染物排放系數(shù)

資料來源：文獻[12]。

不同的煤化工項目為得到不同的產(chǎn)品會采用不同的工藝流程，而工藝流程的長度、工藝的成熟程度以及需要合成產(chǎn)品的不同都會影響單位產(chǎn)品的污染物排放。其中煤制烯烴由于較長的工藝流程，排放出來的CO2量也遠多于其他煤化工項目。從CO2排放角度看，煤制烯烴等現(xiàn)代煤化工較傳統(tǒng)煤化工更適用于CO2捕集技術，由于排放濃度大，CCS項目的運行成本較低。合成氨和現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)工藝過程中大部分的粉塵均被液相撲集，顆粒物有備煤干燥過程的低空除塵器排放，所以基本沒有粉塵排放[12]。傳統(tǒng)煤焦化與現(xiàn)代煤制乙二醇在SO2及NOx排放中排放系數(shù)較大，且煤焦化還會排放出大量粉塵，對大氣環(huán)境污染程度較高。

從表3可以看出，煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇技術單位產(chǎn)品煤耗要高于煤焦化與煤制合成氨，與合成的產(chǎn)品不同有關一定的關系，煤炭在煤化工利用過程中主要作為原料存在，結合各個煤化工產(chǎn)品的CO2排放量，煤焦化過程中產(chǎn)生的CO2量遠少于其他煤化工，而單位產(chǎn)品煤耗在煤化工中較低，作為原料碳轉移比重最大。從煤化工工藝廢水排放角度來看(表4)，部分煤氣化技術水質污染程度較低，低溫氣化技術與煤焦化所排廢水水質污染程度類似。煤液化中產(chǎn)生的高濃度含酚廢水有機物污染程度很高，除此之外煤液化與氣化所產(chǎn)生的廢水污染程度總體上比煤焦化程度要低的多。

表3 煤化工單位產(chǎn)品煤耗

資料來源：文獻[13]。

表4 煤化工工藝廢水排放表

資料來源：文獻[13]。

目前我國煤焦化、煤制合成氨年耗煤量遠遠高于現(xiàn)代煤化工耗煤量(表5)，我國傳統(tǒng)煤化工仍占據(jù)主體地位。從環(huán)境角度考慮，我國新型煤化工總體在廢水排放與大氣污染物排放上比傳統(tǒng)煤化工更低，符合我國節(jié)能減排的政策。從發(fā)展角度考慮，在原料轉移上我國新型煤化工工藝相對煤焦化工藝具有較低的轉移比重，但我國新型煤化工技術工藝多數(shù)還處于示范性階段，總體工藝可優(yōu)化提升空間大，使煤化工比重逐漸從煤煉焦工藝上向新型煤化工工藝轉移，對未來水資源以及大氣環(huán)境保護是有利的。

2.2 傳統(tǒng)煤電與清潔煤電

電力行業(yè)是我國耗煤量最大的產(chǎn)業(yè)，也是我國發(fā)展清潔煤重點領域，每年由燃煤所引起的大氣污染量占總大氣污染量的60%～70%，除卻小型的燃煤鍋爐和民用燃煤以外，傳統(tǒng)煤電對大氣污染影響也相當大。

如表6所示，傳統(tǒng)燃煤機組清潔煤電技術(超臨界、超超臨界)相比，新型清潔煤電技術不管是在單機裝機容量、發(fā)電效率還是單位發(fā)電煤耗上都有大幅提升，實現(xiàn)了煤炭資源利用優(yōu)質發(fā)電。而在接下來研發(fā)的700 ℃超超臨界發(fā)電機組，又是對超超臨界煤電機組的一次全面革新，在發(fā)電效率以及煤耗上都有質的突破(圖3)。同時，在大氣污染物排放上(圖4)，新型燃煤機組同樣有著巨大優(yōu)勢，各項污染排放指標都有大幅度降低。

表5 全國煤化工產(chǎn)品耗煤量

資料來源：文獻[14]。

表6 不同類型煤電機組發(fā)電技術水平比較

資料來源：文獻[15]。

圖4 不同類型煤電機組發(fā)電污染物排放系數(shù)比較(資料來源：文獻[12])

除提高參數(shù)的燃煤機組改進產(chǎn)生的環(huán)保質量差異之外，清潔發(fā)電技術之間也存在著差異(表7)。從水資源的消耗角度來看，清潔煤電技術利用效率為IGCC>CFB>超超臨界，在顆粒物、SO2以及NOx排放量上，三者污染程度均較低，但IGCC比CFB與超超臨界更加環(huán)保。天津的IGCC項目，發(fā)電效率可以達到48%，平均煤耗為276 g/kW·h，基本可以和目前超超臨界燃煤機組持平， CCS技術利

用使碳轉化率達99.2%，脫硫率可達99%以上，NOx排放僅常規(guī)電廠15%～20%，煙塵基本不排放，體現(xiàn)了原料型煤電技術環(huán)保上的優(yōu)勢。

目前，燃煤發(fā)電仍是煤電利用的主流方式，安裝高效低排設備使電廠前期成本提高20%～30%，因此中國如今仍有48%的亞臨界電廠，為了向低排放，零污染方向發(fā)展，轉變傳統(tǒng)的燃燒方式，提高燃燒參數(shù)，加大循環(huán)利用力度，從小規(guī)模分散型電廠向大規(guī)模集約型電廠轉變勢在必行。從燃料發(fā)電轉向原料發(fā)電，是我國未來煤電的一個發(fā)展方向。

表7 IGCC、CFB與超超臨界環(huán)保對比

注： Btu為英制熱量單位， 1 Btu=1.0551 kJ； Lbs為磅， 1 Lbs=0.454 kg；Gallone為加侖，1 Gallone=3.785 L。

資料來源：文獻[16]。

2.3 煤炭作為燃料/原料

如今，中國用煤方式主要將煤作為燃料燃燒或將煤作為原料綜合利用，且燃料用煤是中國當下主要用煤形式。每年煤炭消耗總量中，燃煤量占據(jù)80%，由于燃燒效率低，造成了嚴重的環(huán)境污染問題，雖然企業(yè)政府均采取了防治措施，但燃煤排放的污染物仍是大氣污染主要貢獻者(圖1)。煤炭直接燃燒時煤綜合使用效率在60%左右，而煤作為原料氣化轉化效率在90%以上，氣化前后均有設備進行處理，大幅度降低了污染性氣體排出。

煤炭燃料燃燒與煤炭原料利用排放大氣污染物強度(表8)，燃煤排放的CO2要高于原料煤，而且在現(xiàn)代煤化工中會通過CO2分離技術得到高純度的CO2，有利于CO2的捕集，而燃煤排放的CO2由于濃度和雜質等問題，捕集難度大，收集CO2能耗遠比原料用煤高。在SO2以及NOx上，煤炭作為原料排放程度遠低于燃煤排放。由此可見，煤炭由燃料轉為原料，由能源功能轉化為產(chǎn)品尤其是高端產(chǎn)品功能，是生態(tài)文明條件下的必然選擇。

表8 不同煤炭利用方式大氣污染物排放強度

資料來源：文獻[12]。

3 我國煤炭清潔利用存在問題

我國的煤炭清潔利用起步較晚，雖然以新型煤電技術為代表的煤炭清潔利用技術已擁有世界先進水平，但在煤炭發(fā)展上以及清潔使用率等方面上依舊存在較多的問題。

我國傳統(tǒng)煤化工仍占據(jù)多數(shù)，每年煉焦用煤量超過煤化工產(chǎn)業(yè)總耗煤量的80%(表5)。現(xiàn)代煤化工行業(yè)大多處于工業(yè)示范性階段，部分煤化工行業(yè)(煤制油、煤制氣、煤制烯烴等)工業(yè)技術尚不成熟，在某些關鍵設備上尚依賴進口，對傳統(tǒng)煤化工改造成本較高。 煤制油、煤制烯烴工藝技術在單位煤耗上能夠達到先進水平，然而煤制乙二醇工藝還達不到基本要求(表3和表9)。我國煤化工項目主要分布在水資源相對匱乏的中西部地區(qū)，煤化工的產(chǎn)品消耗地又以東部為主，從經(jīng)濟和資源上同時限制了現(xiàn)代煤化工企業(yè)的發(fā)展。

目前國際油價在60美元/桶左右，與石油煉油相比(表10)，煤制油雖然總體成本要低于石油煉油，但生產(chǎn)稅比石油煉油高出300～400元/t，無論是直接液化還是間接液化，在如今油價下競爭力都要弱于石油煉油。在烯烴項目上，煤制烯烴在稅收上有同樣的問題，在未來碳稅的實施下，煤化工產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)階段難以發(fā)展。

表9 煤化工資源利用效率表

資料來源：國家能源局，2016。

表10 60美元油價下煤制油與石油煉油/煤制烯烴與石油制烯烴對比

資料來源：文獻[17]。

我國目前發(fā)電形式主要以火電為主，年發(fā)電量占據(jù)總發(fā)電量超過70%，而煤電在火電的裝機容量中超過90%，超超臨界和超臨界燃煤電廠占有率僅50%左右，由于建設成本較高、各地發(fā)展水平不均衡使得中小型電廠改造進程難以實施。IGCC造價成本高，技術上仍有缺陷，致使其在發(fā)電成本上還無法與燃煤發(fā)電機組相比。CCS技術需要與IGCC系統(tǒng)聯(lián)合使用，若與普通燃煤電廠聯(lián)合使用，雖然在造價上較低，但在后期運營成本上高，整體上的成本與燃煤機組發(fā)電成本對比沒有競爭力。

4 結論與建議

2014年發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014～2020年)》中指出“積極推進煤炭分級分質梯級利用，加大煤炭洗選比重，鼓勵煤矸石等低熱值煤和劣質煤就地清潔轉化利用。”提出了煤炭分級分質階梯利用的清潔利用方式。2015年發(fā)布的《工業(yè)領域煤炭清潔高效利用行動計劃》中提出通過煤化工結構優(yōu)化、技術改造，推動區(qū)域產(chǎn)業(yè)一體化進程發(fā)展實現(xiàn)煤炭工業(yè)高效清潔利用。各大地區(qū)推廣“以電代煤”工作，實現(xiàn)綠色化能源利用，各省市也逐漸施行限煤控煤政策，推動煤炭清潔高效利用已成為煤炭產(chǎn)業(yè)深度改革的重點。在十九大的精神中更是強調了生態(tài)環(huán)境在發(fā)展中的重要性，必須樹立社會主義生態(tài)文明觀，堅持綠色發(fā)展理念，推進能源生產(chǎn)和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系。清潔利用在煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展中勢在必行。

在改革的同時，清潔化設備的投入必定會提高產(chǎn)品成本，根據(jù)不同的國際國內(nèi)情況需要對稅收政策加以調整，過高的稅收不利于清潔煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。考慮到現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，原料上的供給不能夠根據(jù)燃煤的控煤政策實施，需要根據(jù)當?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)情況推行原料煤配置標準。建立并完善煤炭產(chǎn)業(yè)法律法規(guī)，對煤炭清潔利用制定專門的法律，有效的約束并引導綠色煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1) 煤焦化產(chǎn)業(yè)大氣污染物以及水污染物排放強度較大，并且煤耗總量占比大，應注重煤化工比重從傳統(tǒng)焦化化工行業(yè)向污染水平較小的新型煤化工產(chǎn)業(yè)的轉移，并在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎上加強脫硫除塵技術，淘汰落后產(chǎn)能，積極開創(chuàng)煉焦新技術。

2) 新型煤化工行業(yè)二氧化碳排放量較大，運用CCS技術對煤化工企業(yè)進行碳捕集，是煤化工行業(yè)實現(xiàn)碳零排放與循環(huán)綜合利用的有利方向，提高技術革新力度，減少耗水量，加強廢水資源的處理，在水資源匱乏地區(qū)實現(xiàn)廢水的循環(huán)利用，是解決目前水資源消耗過大問題的合理方案。

3) 煤電燃煤機組的供電耗煤量在逐年降低，而用電量在逐年提升，隨著新型大容量燃煤機組的投產(chǎn)，煤電機組的資源利用率顯著提高，并且在污染物排放上大幅度下降，對傳統(tǒng)落后煤電產(chǎn)能進行改造與淘汰，提高新型大容量機組運營率，加強脫硫脫硝設備的建設，可以進一步推進節(jié)能減排工作的進行。

4) IGCC項目作為煤電產(chǎn)業(yè)新方向，是進一步實現(xiàn)煤電超低排放的有力手段，實現(xiàn)煤化工與煤電產(chǎn)業(yè)的聯(lián)合生產(chǎn)，有助于資源的合理高效利用，充分降低污染排放。

5) 煤炭作為燃料運用對環(huán)境的污染程度要遠低于煤炭原料的污染程度，在煤炭作為原料進行利用時，產(chǎn)生的有害污染性氣體可以被分離，通過設備進行凈化或回收利用，并且成本要比作為燃料燃燒凈化更低。發(fā)展煤炭原料清潔利用手段，由燃料向原料轉化，能源向產(chǎn)品轉化，是實現(xiàn)清潔轉化的選擇。

加快新型煤化工與現(xiàn)代煤電技術的發(fā)展，是我國生態(tài)文明條件下對煤炭合理化利用的必然選擇，也是煤炭企業(yè)在環(huán)境保護日趨嚴格條件下的必然要求。

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