CN108655151A - 生活垃圾和生物质热工艺三步联合洁净处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热工艺三步联合洁净处理方法,所述方法依次包括下列三个步骤:(1)绝对厌氧热处理;(2)催化裂解;和(3)微生物降解。本发明方法用以解决现有生活垃圾和生物质处理中环境污染和资源浪费的问题,尤其是利用三步联合处理法工艺使生活垃圾、生物质的处理达到无苯类及其衍生物(尤其是二噁英)产生的目的。

Description

生活垃圾和生物质热工艺三步联合洁净处理方法
技术领域
本发明涉及生活垃圾和生物质处理技术领域,具体涉及一种生活垃圾和生物质热工艺三步联合洁净处理方法。
背景技术
垃圾是人类日常生活和生产中产生的固体废弃物。尤其是生活垃圾,由于排出量大,成分复杂多样,且具有污染性、资源性和社会性,需要无害化、资源化、减量化和社会化处理。如不能妥善处理,就会污染环境,影响环境卫生,浪费资源,破坏生产生活安全,破坏社会和谐。当今广泛应用的垃圾处理方法是卫生填埋、高温堆肥和焚烧(热处理)。
此外,我国是一个农业大国,耕地面积超过了18亿亩,每年有丰富的秸秆量产生。据调查,2009年,全国农作物秸秆理论资源量为8.20亿吨(风干,含水量为15%)。从品种上看,稻草约为2.05亿吨,占理论资源量的25%;麦秸为1.50亿吨,占18.3%;玉米秸为2.65亿吨,占32.3%;棉秆为2584万吨,占3.2%;油料作物秸秆(主要为油菜和花生)为3737万吨,占4.6%;豆类秸秆为2726万吨,占3.3%;薯类秸秆为2243万吨,占2.7%。如此巨量的生物质秸秆,由于没有很好的技术来利用,仍大部分被废弃与焚烧处理。不仅造成了令人痛心的资源浪费,也给环境(大气、水质和土壤)的恶化带来了不可低估的影响。
我国现阶段无论是生活垃圾还是生物质的热处理(焚烧、气化、热解、干馏)过程中,都存在着不同程度的环境污染。其中,所排放有害物质如VOCs、POPs等拥有很强的毒性危害,如2,3,7,8-四氯二苯并对二噁英的毒性高达每盎司(即28.35克)可以毒死100万人。此外,现阶段的处理技术还存在着产品产量低、经济效益差、产品销路差的客观问题。
在现阶段我国对于环保要求日益严格的今天,如何做到生活垃圾以及生物质真正无公害化处理、能源化处理、经济化处理是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热工艺三步联合洁净处理方法,用以解决现有生活垃圾和生物质处理中环境污染和资源浪费的问题,尤其是利用三步联合处理法工艺使生活垃圾、生物质的处理达到无苯类及其衍生物(尤其是二噁英)产生的目的。
为实现上述目的,本发明的技术方案为一种生活垃圾和生物质热工艺三步联合洁净处理方法,所述方法依次包括下列三个步骤:(1)绝对厌氧热处理;(2)催化裂解;和(3)微生物降解。(参见图1)
下面,对于各步骤说明如下:
(1)绝对厌氧热处理:通过发明人数据显示,生物质或生活垃圾在热工艺(焚烧、气化、干馏、热解)过程中其氧气含量与产生的最有毒性的污染物二噁英含量呈指数增长关系,即绝氧热工艺(气化、干馏、热解)产生的二噁英含量与半焚烧式气化工艺(市面上已有气化形式)产生的二噁英含量的比值为1:22190;与焚烧产生的二噁英含量的比值为1:196206。所以绝对厌氧热处理工艺的优点是能够大幅度地降低污染物中最具有毒性的物质——二噁英的产生,但缺点也很明显,即对其他污染物的控制幅度减小,并且无法完全阻止二噁英的产生。
(2)催化裂解:对于催化裂解工艺来讲,其可以说是对苯类以及长链类成分最有效去除的手段,通常正常工作时处理能力为86%以上,但其缺点为高浓度污染物去除时,容易产生积碳、中毒等现象从而导致失活,并且不能100%去除污染物。
(3)微生物降解:微生物降解技术是现阶段世界上最热门的垃圾和生物质处理技术。其具体优势包括可以做到对污染物的100%去除,且无需另外耗费能源等;其缺陷也十分明显,包括去除物浓度不易过高、去除速率慢等方面。
由此,本发明的三步联合洁净处理方法的三个步骤排序依据如下:
①以对污染物的处理能力或抑制能力来看,物理方法——绝对厌氧热处理最为有效,将其排在第一步能够减轻后两步的处理难度,兼具保护后续步骤的作用;化学方法——催化裂解处理效率处于中间,安排在第二步一方面能够使所有污染物在此步骤中得到最大程度的降解,此外还可以起到保护后续步骤中微生物不被过高浓度的污染物毒死的作用;生物方法——微生物降解其处理能力最低且所需处理时间最长,此步骤适合用来完全处理前两步中未处理到的微量有害物质,其效果最佳。
②以对污染物处理的残留物来看,物理方法——绝对厌氧热处理其残留物剩余最多,其排在第一步能够保证逃逸的残留污染物还可被其他步骤进行处理;化学方法——催化裂解的污染物残留处于中间水平,安排在第二步对污染物进行降级(污染物降低一个数量级)后,残余污染物仍然可以利用第三步进行处理;生物方法——微生物降解其污染物处理效率理论上可以达到100%,所以在最后一步进行把关使污染物控制达到完全处理效果。
绝对厌氧热处理
进一步的,步骤(1)的绝对厌氧热处理包括在炉体进料时使用绝对厌氧进料器的步骤以及在炉体供热时采用绝对厌氧热处理工艺,其中,所述绝对厌氧进料器包括挤压装置和保护气体置换装置。
根据进料器要求,所选择的进料器需要有两方面结构特征:第一方面为具有挤压装置,其目的是将物料(生物质或生活垃圾)中所含空气除去;第二部分为保护气体置换装置,其目的是将经挤压后物料中残余空气置换干净,以达到真正的隔绝氧气的作用。保护气体一般推荐使用二氧化碳气体,但用氮气或其他惰性气体也是可以的。
进一步的,挤压装置的压力应该不小于0.5MPa,例如0.5-2.5MPa,或其压力应使得物料在挤压前后的体积比不小于4:1,例如4:1至8:1;保护气体置换装置中通入的保护气体体积与物料体积的比值不小于5:1,例如5:1至10:1。
上述两方面结构特征缺一不可:如果缺少挤压装置,则会造成保护气体置换装置置换效率差,保护气体使用量大,成本费用极高的缺陷;如果缺少保护气体置换装置则会造成两种可能结果,第一为氧气隔绝不彻底,不能起到应有效果,第二为对挤压装置要求过高,造成用电成本增加以及由于挤压过度导致的后续工艺中会出现导热不良的情况。
进一步的,所述绝对厌氧热处理工艺可以选自微波处理工艺、等离子体处理工艺或换热法处理工艺三种中的一种,其中更优选换热法处理工艺。
微波处理工艺和等离子体处理工艺在现阶段对于生物质或生活垃圾这种废弃物而言是比较昂贵的处理方式,相对而言,换热法处理工艺在成本和处理效率方面取得了较佳的平衡。因此,本发明方法中主要采用换热法处理工艺。
进一步的,所述换热法处理工艺包括完全介质换热和介质—间壁混合换热两种换热模式,这两种换热模式中所使用的炉型包括多膛炉、回转窑和气化炉。
I、以多膛炉为代表的炉型
一、完全介质换热模式
每层炉体空腔的边缘一般设置2—6个通气孔,通过通气孔向炉内直接通入高温介质,高温介质随炉内结构向上流动,最终由炉顶燃气出口集体排出(参见图2)。其中高温介质的成分包括:①热解和干馏高温可燃气;或者②气化高温可燃气+气化剂组分。
高温可燃气按照供热参数多少进行计算,具体计算公式如下:
L循环=[(Q燃气-Q原料)×S原料+Q炉失-L气化剂×C气化剂×(T-T)]÷[C燃气×(T-T)]
L循环表示高温可燃气单位时间循环量;
Q燃气表示产品气(循环高温可燃气)高位热值;
Q原料表示原材料(生活垃圾或生物质)高位热值;
S原料表示单位时间原材料处理量;
Q炉失表示单位时间炉体热损失量;
L气化剂表示单位时间气化剂加入量;
C气化剂表示气化剂比热容;
T表示高温介质入炉温度;
T表示气体出炉温度;
C燃气表示产品气(循环高温可燃气)比热容。
二、介质—间壁混合换热模式
多膛炉类炉型间壁换热模式中(参见图3),由于多膛炉类炉型拥有现成大量的换热平台,所以将高温烟气通入换热平台,利用现有换热平台做接触换热以及辐射换热。
介质—间壁混合换热模式即为循环高温可燃气与高温烟气同时向工艺炉提供热量的方式(可视为图2和图3同时存在运行),该换热模式使用热风炉,且热风炉的供热方式分为电加热和燃料供热两种供热方式。其中,
使用电加热热风炉时的换热工艺过程如下(参见图4):
第一步,使热风炉出口高温烟气达到1000℃~1600℃;
第二步,使高温烟气先对工艺炉进行间壁换热;
第三步,换热完成后的高温烟气通入高温换热器作为热源介质与高温介质进行换热,换热完成后的高温烟气返回热风炉中重新进行循环;而出高温换热器的高温介质直接通入工艺炉中进行供热和反应;
第四步,工艺炉内参与反应的高温介质从工艺炉气体出口排出,其中一部分作为产品燃气进入下一个工段,另一部分进入高温换热器中充当下一循环的高温介质给炉体供热。
在第二步中,对于间壁换热来讲,冷热两侧温差越大所需换热面积越小;当换热面积一定时,其换热效率越高。
在一个实施方案中,在第四步中,从工艺炉气体出口排出的参与反应的高温介质的另一部分中还通入气化剂,并进入高温换热器中充当下一循环的高温介质。
进一步的,使用燃料供热热风炉时,对热风炉进行循环的工艺过程如下(参见图5):
第一步,将循环的高温烟气分为单位时间同等体积的两部分烟气,分别通入热风炉省煤器和热风炉中;
第二步,进入热风炉省煤器中的高温烟气与燃烧所需空气进行换热,换热完成后的低温烟气进入烟气净化***,净化完成后排空;燃烧所需空气通过热风炉省煤器的换热变为高温空气通入热风炉中;
第三步,燃料和高温空气在热风炉中燃烧对热风炉中的循环高温烟气进行补温,达到设定温度的高温烟气最终通入工艺炉中进行工艺循环使用。
另外,相对于电加热热风炉来说,由于燃料供热热风炉在不停地产生新的高温烟气,所以需要高温烟气循环***向外也要排放同等体积烟气,以保持***平衡。
其高温烟气循环量以及高温可燃气循环量计算公式为:
L烟循环=[(Q燃气-Q原料)×S原料+Q***失]÷[C烟气×(T-T)]
L循环=[(Q燃气-Q原料)×S原料+Q***失-L气化剂×C气化剂×(T-T)-Q间壁换热量]÷[C
燃气×(T-T)]
L烟循环表示工艺所需高温烟气循环总量;
L循环表示循环高温可燃气单位时间循环量;
Q燃气表示产品气(循环高温可燃气)高位热值;
Q原料表示原材料(生活垃圾或生物质)高位热值;
S原料表示单位时间原材料处理量;
Q炉失表示单位时间炉体热损失量;
L气化剂表示单位时间气化剂加入量;
C气化剂表示气化剂比热容;
T表示高温介质入炉温度;
T表示气体出炉温度;
C燃气表示产品气(循环高温可燃气)比热容;
T表示循环烟气出热风炉温度;
T表示循环烟气入热风炉温度;
Q间壁换热量表示烟气通过间壁换热单位时间内的总量,其计算公式为普通传热学公式。
II、以回转窑为代表的炉型
以回转窑为代表的炉型除介质供热和间壁换热形式与多膛炉不同外,其工艺流程和计算公式等方面均相同。对于本领域技术人员来说,容易根据前面介绍的多膛炉类型的换热模式工艺步骤和计算公式,并且结合本领域常识,获得相应的工艺流程和具体计算方法。为避免赘述,以下仅对介质换热和间壁换热方式做简要说明。
一、介质换热
(1)由物料入口的对侧方向向炉内直接通入高温介质,高温介质随炉内结构向物料入口方向流动,最终由炉燃气出口集体排出(参见图6);或者
(2)由物料入口的方向向炉内通入高温介质,高温介质随炉内结构向炉尾部的气体出口方向流动,最终由炉燃气出口集体排出(参见图7)。
二、间壁换热
(1)以大齿轮为界分为左右两部分,在左右两部分的外侧各增加一个外筒壁,通过各自外筒壁的入口通入高温介质,换热完毕后由出口导出(参见图8)。
III、以气化炉为代表的炉型
以气化炉为代表的炉型除介质供热和间壁换热形式与多膛炉不同外,其工艺流程和计算公式等方面均相同。对于本领域技术人员来说,容易根据前面介绍的多膛炉类型的换热模式工艺步骤和计算公式,并且结合本领域常识,获得相应的工艺流程和具体计算方法。为避免赘述,以下仅对介质换热和间壁换热方式做简要说明。
一、介质换热
(1)由炉底高温介质入口向炉内直接通入高温介质,高温介质随炉内结构向炉顶方向流动,最终由炉燃气出口集体排出(参见图9)。
二、间壁换热
(1)在炉高温介质入口上方水平位置开始存在外套炉体,高温介质从外套的底端入口流入,从顶端出口完成换热后流出(参见图10)。
催化裂解
对于本发明生活垃圾和生物质热工艺三步联合洁净处理方法中步骤(2)的催化裂解来说,可使用1~6种催化剂对粗产品气进行催化裂解反应。催化剂的选择是基于催化剂应具有的下述功能:催化裂解焦油;催化积碳发生布朵儿反应(Boudouard Reaction,又称碳素溶解损失反应、碳的溶损反应或气化反应,反应式CO2+C=2CO)以及水煤气反应;催化苯结构加氢;催化环状分子断裂;催化C4以上长链分子断裂等,即所述催化剂包括:焦油裂解作用催化剂、布朵儿反应及水煤气反应催化剂、苯结构加氢催化剂、催化环状分子断裂催化剂以及C4以上长链分子断裂催化剂。
选用多催化剂联合除苯包括以下特征:
①焦油裂解作用催化剂需要处于第一位置,其可以从以下催化剂中进行选择:凹凸棒石及其负载金属催化剂、白云石及其负载金属催化剂、石灰石及其负载金属催化剂、活性炭及其负载金属催化剂等。要求其处于第一位置的原因如下:焦油在整体工艺中存在易堵塞管路,造成催化剂积碳而失活,以及腐蚀管路的问题,在第一步将其处理后能够给后续工艺中催化装置减小负担;
②各阶段催化剂中均应含有抗硫抗积碳成分。所述抗硫抗积碳成分可以选自在催化剂原材料中负载的钠、钾、镁金属或其化合物;
③苯结构加氢催化剂优选为镍基催化剂、铜基催化剂以及铝基催化剂或其混合物;
④催化装置不要超过6级,超过6级后会造成需要额外补充温度以及管压等,造成额外功率消耗;
⑤催化工艺必须保证0.1~2MPa压力下进行。
微生物降解
出催化裂解装置的气体,经过换热装置降温以及其他净化装置的处理步骤后,通入生物除苯塔进行洗涤。生物除苯塔可选用一体化洗涤塔(或滴滤塔),也可选用吸收和生物降解分离式双塔结构,但必须遵循以下原则:
①使用生物除苯塔,要求喷雾粒径为0.5~10μm,喷雾塔至少拥有三段喷淋层,设计停留时间不得小于20s(例如20s-100s),并且填料层中填料母料需含有5%以上(例如5%-15%)的亲油组分或填料中混合15%以上(例如15%-25%)的亲油填料。
②生物除苯塔中还需添加微生物除苯菌剂,所述微生物除苯菌剂选自以下13种菌种。如没有条件自行选育菌种的企业则可在国家菌种库(CGMCC、ACCC)中购买以下13种菌种进行配合使用,当然也可根据实际情况在这13种群落构成的基础上进行适当的加减。13种菌种群落名称如下:
分类学名称
土生链格孢(Alternaria humicola)
泡盛曲霉(Aspergillus awamori)
黄曲霉(Aspergillus flavus)
米曲霉(Aspergillus oryzae)
土曲霉(Aspergillus terreus)
焦曲霉(Aspergillus ustus)
乌芝(Amauroderma rugosum)
荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)
绿脓假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)
解几丁质类芽胞杆菌(Paenibacillus chitinolyticus)
鲑色诺卡氏菌(Nocardia salmonicolor)
粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)
解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)
③需注意的是,整个生物除苯塔进行喷淋液的总体积运算时,最小不得超过所选菌株处理量极限的70%,最大不得小于所选菌株处理最小值的60%。原因为如果喷淋体积设计过小时,菌株难以分解彻底,这样会造成苯类及其衍生物的吸收容易达到极限或极端条件下会使已经被吸收的苯类及其衍生物会返回气相中,造成不完全吸收的事故;而如果喷淋体积设计过大时,长期处于营养缺失的微生物会退化、休眠或者死亡,这种情况更加容易造成不完全吸收的事故。
④生产过程中,一旦出现菌种难以维持生存的情况发生,应及时向溶液中补充少量的苯磺酸类物质,满足以上菌种代谢需求。
本发明方法具有如下优点:
1、解决现有生活垃圾和生物质处理中环境污染问题。按照以上三步法要求来设计工艺,能够使项目实际生产中苯及其衍生物真正做到零排放。
2、解决现有生活垃圾和生物质处理中资源浪费问题。能够增加产品产量、提高经济效益、拓宽产品销路。
附图说明
图1为本发明生活垃圾和生物质热工艺三步联合洁净处理方法的工艺流程示意图。
图2为本发明一个示例性实施方案中多膛炉类炉型完全介质换热模式示意图。
图3为本发明一个示例性实施方案中多膛炉类炉型间壁换热模式示意图。
图4为本发明使用多膛炉类炉型进行换热时介质—间壁混合换热模式中使用电加热热风炉的工艺流程示意图。
图5为本发明使用多膛炉类炉型进行换热时介质—间壁混合换热模式中使用燃料供热热风炉时对热风炉进行循环的工艺流程示意图。
图6为本发明一个示例性实施方案中使用回转窑进行换热时高温介质流向示意图。
图7为本发明另一个示例性实施方案中使用回转窑进行换热时高温介质流向示意图。
图8为本发明又一个示例性实施方案中使用回转窑进行换热时高温介质流向示意图。
图9为本发明一个示例性实施方案中使用气化炉进行换热时高温介质流向示意图。
图10为本发明另一个示例性实施方案中使用气化炉进行换热时高温介质流向示意图。
图11为本发明一个实施例中生活垃圾热工艺三步联合洁净处理方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参见图11,为生活垃圾热工艺三步联合洁净处理方法的工艺流程示意图。实例背景:城市生活垃圾气化工程,处理规模为20t/d。物料入炉组分为去建筑垃圾后的普通生活垃圾。
按照图11所示流程进行操作:
(1)绝对厌氧热处理步骤参数如下:
①绝对厌氧进料器:第一部分挤压装置,设计为4:1的挤压前后体积比;第二部分保护气体置换装置,设计保护气体通入体积与物料体积比为5:1。
②绝对厌氧热处理工艺过程。选择介质—间壁混合换热。按照上述工艺进行换热流程。
(2)催化裂解,催化裂解工艺选用前面所描述的催化剂,催化工艺保证在0.7MPa压力下进行。
(3)微生物降解—生物除苯塔,除苯塔选用吸收和生物降解分离式双塔结构,
①除苯塔要求喷雾粒径为0.5μm,喷雾塔拥有三段喷淋层,设计停留时间为25s,并且填料层中填料母料含有5%以上(8%)的亲油组分或填料中混合15%以上(20%)的亲油填料。其中亲油组分选用树脂,亲油填料选用蒙脱石。
②生物除苯塔中还添加微生物除苯菌剂,为前述13种菌群的全菌落。
③整个塔设计时喷淋液的总体积为所选菌群处理量极限的65%。
此案例每步污染物剩余效果如下:
①第一步气体出气化炉后二噁英量为最小0.004ng/g,折合可燃气中二噁英的含量为4.44ng/Nm3
②第二步通过催化裂解工艺段后燃气中二噁英等含苯类物质的总浓度≤0.66ng/Nm3
③第三步通过吸收塔其气水比为1060.606:1后制得0.7mg/l的污染水,并且连续72小时监测,结果显示可燃气中不含任何苯类及其衍生物类有害物(包括二噁英),利用菌种在生物除苯塔中7小时设计停留时间,检测出塔水体,发现水体溶液中也不含任何苯类及其衍生物类有害物(包括二噁英)。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种生活垃圾和生物质热工艺三步联合洁净处理方法,其特征在于,所述方法依次包括下列三个步骤:(1)绝对厌氧热处理;(2)催化裂解;和(3)微生物降解。
2.根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,步骤(1)的绝对厌氧热处理包括在炉体进料时使用绝对厌氧进料器的步骤以及在炉体供热时采用绝对厌氧热处理工艺,其中,所述绝对厌氧进料器包括挤压装置和保护气体置换装置。
3.根据权利要求2所述的处理方法,其特征在于,所述挤压装置的压力不小于0.5MPa,或其压力应使得物料在挤压前后的体积比不小于4:1;所述保护气体置换装置中通入的保护气体体积与物料体积的比值不小于5:1。
4.根据权利要求2所述的处理方法,其特征在于,所述绝对厌氧热处理工艺选自微波处理工艺、等离子体处理工艺或换热法处理工艺。
5.根据权利要求4所述的处理方法,其特征在于,所述换热法处理工艺包括完全介质换热和介质—间壁混合换热,这两种换热模式中所使用的炉型包括多膛炉、回转窑和气化炉。
6.根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,步骤(2)的催化裂解使用1~6种催化剂对粗产品气进行催化裂解反应;所述催化剂包括:焦油裂解作用催化剂、布朵儿反应及水煤气反应催化剂、苯结构加氢催化剂、催化环状分子断裂催化剂以及C4以上长链分子断裂催化剂。
7.根据权利要求6所述的处理方法,其特征在于,所述焦油裂解作用催化剂处于第一位置,其从以下催化剂中进行选择:凹凸棒石及其负载金属催化剂、白云石及其负载金属催化剂、石灰石及其负载金属催化剂、活性炭及其负载金属催化剂。
8.根据权利要求6所述的处理方法,其特征在于,所述苯结构加氢催化剂为镍基催化剂、铜基催化剂以及铝基催化剂或其混合物。
9.根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,步骤(3)的微生物降解中使用生物除苯塔,喷雾粒径为0.5~10μm,喷雾塔至少拥有三段喷淋层,设计停留时间不小于20s,并且填料层中填料母料含有5%以上的亲油组分或填料中混合15%以上的亲油填料。
10.根据权利要求9所述的处理方法,其特征在于,所述生物除苯塔中还添加微生物除苯菌剂,所述微生物除苯菌剂选自以下13种菌种:土生链格孢(Alternaria humicola)、泡盛曲霉(Aspergillus awamori)、黄曲霉(Aspergillus flavus)、米曲霉(Aspergillusoryzae)、土曲霉(Aspergillus terreus)、焦曲霉(Aspergillus ustus)、乌芝(Amauroderma rugosum)、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、绿脓假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、解几丁质类芽胞杆菌(Paenibacillus chitinolyticus)、鲑色诺卡氏菌(Nocardia salmonicolor)、粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)和/或解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)。
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