電石渣替代石灰石生產(chǎn)水泥熟料的新工藝開發(fā)
1 前 言
電石渣是在乙炔氣、聚氯乙烯、聚乙烯醇等工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,電石(CaC2)水解后產(chǎn)生的沉淀物(工業(yè)廢渣),主要成分為Ca(OH)2。
CaC2(電石) + 2H2O —→ C2H2↑(乙炔氣) + Ca(OH)2↓(電石渣)
每噸電石水解后約產(chǎn)生1.15噸電石渣。電石渣的堆放不僅占用大量的土地,而且因電石渣易于流失擴(kuò)散,污染堆放場地附近的水資源、堿化土地;長時間堆放還可能因風(fēng)干起灰,污染周邊環(huán)境。電石渣屬難以處置的工業(yè)廢棄物之一。
上世紀(jì)七十年代,我國就開始將電石渣用作水泥熟料生產(chǎn)的原料之一。當(dāng)時,電石渣配料主要采用濕法回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)水泥熟料,后來電石渣配料又發(fā)展了立窯、半濕法料餅入窯、立波爾窯、五級旋風(fēng)預(yù)熱器窯等多種工藝生產(chǎn)水泥熟料,但這些生產(chǎn)工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對落后,而且不符合國家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策,不適宜廣泛推廣。技術(shù)相對較先進(jìn)的電石渣配料、“濕磨干燒”新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝,其熟料燒成熱耗超過1000×4.18kJ/kg,對比同規(guī)模、采用通常原料配料新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝熱耗高出近30%,即每噸熟料多耗標(biāo)準(zhǔn)煤約30千克。以日產(chǎn)水泥熟料1000噸規(guī)模計算,全年多耗標(biāo)準(zhǔn)煤約9000噸。
電石渣配料、“濕磨干燒”新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝的主要過程為:電石渣作為
*Corresponding author.Tel:+86-551-3439305;Fax:+86-551-3439310;E-mail:dqs9305@163.com
原料之一與其它原料配料后一起入濕法生料磨,磨成綜合水分約為43%的生料漿,通過機(jī)械脫水裝置將生料漿脫水成為含水分約25%[ 1]的料餅,再將料餅送入利用窯尾廢氣余熱烘干的料餅烘干破碎機(jī);破碎、烘干后的物料隨氣流進(jìn)入窯尾旋風(fēng)分離器、兩級旋風(fēng)預(yù)熱器、在線分解爐,最后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯煅燒成水泥熟料。實(shí)踐證明:電石渣配料、“濕磨干燒”新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝技術(shù)已較為先進(jìn)、成熟。按該工藝建設(shè)的安徽皖維高新材料股份有限公司1000t/d熟料生產(chǎn)線(1#線),自2000年10月投產(chǎn)以來,已運(yùn)行五年多時間,主要缺點(diǎn)是:熟料燒成熱耗較高,達(dá)1030×4.18 kJ/kg。
采用電石渣配料、“干磨干燒”新型干法水泥熟料生產(chǎn)新工藝,有利于進(jìn)一步降低水泥熟料的燒成熱耗,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。其主要生產(chǎn)工藝過程為:電石渣經(jīng)過機(jī)械脫水成為含水分約35%的電石渣料餅,然后與其它原料經(jīng)配料一起入立式磨烘干、粉磨;出立式磨的生料粉經(jīng)生料均化庫均化后入窯尾四級旋風(fēng)預(yù)熱器、半離線分解爐,最后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯煅燒成水泥熟料。我院按該工藝設(shè)計完成的安徽皖維高新材料股份有限公司1000t/d熟料生產(chǎn)線(2#線),自2003年1月投產(chǎn)以來,已運(yùn)行三年多時間,熟料28天抗壓強(qiáng)度年平均為58.44 MPa,熟料燒成熱耗年平均為816×4.18kJ/Kg。主要缺點(diǎn)是:生料中電石渣的摻量僅13~15%(干基)[ 2]。
在電石渣配料、“干磨干燒”新型干法水泥熟料的生產(chǎn)新工藝中,為了進(jìn)一步提高電石渣替代石灰石的比例,我院開發(fā)出了國內(nèi)首條高摻電石渣(生料中電石渣摻量≥60%)、“干磨干燒” 1200t/d熟料新型干法水泥生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線采用電石渣脫水、預(yù)烘干、生料立式磨、帶預(yù)分解回轉(zhuǎn)窯等一系列節(jié)能環(huán)保綜合技術(shù)和裝備,于2005年8月8日在淄博寶生環(huán)保建材有限公司一次點(diǎn)火成功并生產(chǎn)出合格熟料。目前,生料中電石渣摻量(干基)≥60%(電石渣替代石灰石量達(dá)70%以上),熟料28天抗壓強(qiáng)度≥58MPa,熟料燒成熱耗 ≤760×4.18 kJ / kg。實(shí)現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn),達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平,為水泥工業(yè)采用電石渣替代石灰石生產(chǎn)新型干法水泥熟料提供了良好的示范,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。本文介紹該生產(chǎn)線主要系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用情況。
2 生產(chǎn)線主要系統(tǒng)介紹
2.1 電石渣漿處理系統(tǒng)
電石渣的主要成分是Ca(OH)2,其CaO含量高達(dá)60%以上。淄博寶生環(huán)保建材有限公司采用的從乙炔生產(chǎn)中排出的電石渣液水分高達(dá)90%以上,經(jīng)沉降池濃縮后,水分仍有80%左右,正常流動時的水分在50%以上。
淄博寶生環(huán)保建材有限公司采用的電石渣化學(xué)成分如下。
電 石 渣 化 學(xué) 成 分
電石渣中的細(xì)顆粒較多,10~50微米達(dá)80%以上,BT-9300激光粒度分布測定結(jié)果如下:
電石渣粒度分布
電石渣的個數(shù)平均粒徑:1.89μm;重量平均粒徑:9.19μm;面積平均粒徑:5.75μm;中位粒徑:8.29μm;比表面積:947.32m2/kg。電石渣的比表面積越高,吸水性亦越高,烘干難度越大。
通過對電石渣的物理及化學(xué)性能分析可以看出:電石渣中的CaO含量很高,可以說是制造水泥熟料的優(yōu)質(zhì)鈣質(zhì)原料。其粒度很細(xì),幾乎不需要粉磨就可以滿足水泥熟料生產(chǎn)的要求。需要解決的主要問題是:對電石渣漿進(jìn)行有效脫水和準(zhǔn)確配料。
2.1.1 電石渣漿的脫水
1. 電石渣液的濃縮
電石渣液通過料漿泵送到2-Ф24m濃縮池中。濃縮池為混凝土結(jié)構(gòu),池底的傾角為8.5°,周邊輥輪傳動耙式濃縮機(jī)的耙架一端籍特殊的止推軸承放置在濃縮池的中央支柱上,另一端與傳動小車連接,電動機(jī)經(jīng)減速機(jī)帶動輥輪而使耙架繞池子的中心線回轉(zhuǎn)。
電石渣液首先進(jìn)入自由沉降區(qū),水中的顆粒靠自重而迅速下沉,到達(dá)過渡區(qū)。一部分顆粒靠自重繼續(xù)下沉,一部分顆粒卻又受到密集顆粒的阻礙而不能自由下沉。當(dāng)下沉到壓縮區(qū)時,匯集成緊密接觸的絮團(tuán)而繼續(xù)下沉到濃縮區(qū)。由于刮板的運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)一步被壓縮,擠出其中水分。最后由卸料口排出,澄清水從溢流堰流出,由渣漿泵送至化工廠沉淀池循環(huán)利用。
電石渣液經(jīng)NG-24濃縮機(jī)濃縮后含水約75%。
2. 電石渣漿的壓濾
針對電石渣漿的性能和以往的經(jīng)驗,本系統(tǒng)選擇脫水能力較強(qiáng)、料餅水分較低的帶氣橡膠隔膜板框壓濾脫水方案。該壓濾系統(tǒng)的主要工作原理為:含水分約75%的電石渣漿經(jīng)渣漿泵注入帶氣橡膠隔膜的壓濾機(jī)各個濾室,當(dāng)壓力升至設(shè)定值后,通過流體靜壓壓濾脫掉濾餅顆粒間的游離水分;接著再通入壓縮空氣保壓,通過橡膠隔膜的弧面產(chǎn)生變向剪切力,破壞濾餅的幾何結(jié)構(gòu),使濾餅水分進(jìn)一步降低。
為了進(jìn)一步探索合理的工藝參數(shù),給板框壓濾機(jī)的制造和使用提供借鑒,進(jìn)行了不同濾室厚度、進(jìn)漿濃度、過濾壓力下的正交試驗,試驗結(jié)果如下:
通過試驗得知:
(1)電石渣漿的濃度影響濾餅的最終水分。設(shè)置電石渣漿濃縮池進(jìn)行濃縮是必要的,濃縮后含水量控制在小于75%為好。
(2)電石渣漿的過濾壓力以0.8 MPa為宜。壓力過低則濾餅水分難以控制;壓力過大則對板框壓濾機(jī)的機(jī)械制造要求過高。
(3)濾室的厚度以30mm為宜。濾餅過厚,水分難以控制;濾餅過薄,產(chǎn)能難以滿足要求。
根據(jù)電石渣漿過濾性能試驗結(jié)果和生產(chǎn)中的物料平衡要求,選用七臺XMZ500型廂式全自動壓濾機(jī)(六用一備),每臺壓濾機(jī)過濾面積500m2,過濾總?cè)莘e10.16m3,濾室的厚度30mm,壓濾后濾餅水分設(shè)計值為32~36%。實(shí)際生產(chǎn)中,料餅的水分最好狀態(tài)為25%,一般能保證在35%左右。
2.1.2 電石渣的預(yù)烘干
電石渣漿采用機(jī)械脫水后水分一般在28~35%范圍內(nèi)波動,給電石渣的輸送、儲存和準(zhǔn)確配料帶來困難,因此有必要對電石渣進(jìn)行預(yù)烘干;由于電石渣屬于高濕含量的輕質(zhì)廢渣,烘干處理難度非常大,需要解決以下技術(shù)難題:
(1)解決喂料及防堵問題。壓濾后的電石渣呈“牙膏”狀態(tài),輸送過程中無法儲存和喂料計量,也不易送入烘干機(jī)內(nèi),落入烘干機(jī)后易出現(xiàn)堆料和粘堵現(xiàn)象。
(2)電石渣烘干時,需要克服蒸發(fā)速率低以及濕含量大的缺點(diǎn)。
(3)利用電石氣燃燒作為烘干熱源難度大。電石氣是電石爐生產(chǎn)電石產(chǎn)生的廢氣,電石氣主要含CO、CH4等可燃?xì)怏w,易爆炸;電石氣本身有400~600℃溫度,含有200mg/Nm3灰塵,焦油含量大,不易輸送和使用。
(4)電石渣烘干后廢氣中含塵濃度高,收塵設(shè)備易產(chǎn)生粘堵和腐蝕。
電石渣含水15%時的物理性能檢測如下:松散容重為600g/l,緊密容重為750g/l;電石渣在生料中占63.5 %時所配生料的休止角為36°;在辦公室常溫條件下,敞開七天,吸濕率為4%,在10MPa壓力下不滲水。
根據(jù)以上實(shí)驗結(jié)果,確定電石渣烘干終水分控制在15%左右為宜,以避免電石渣在輸送、儲存過程中發(fā)生粘堵,并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確配料。
年產(chǎn)7.5萬噸電石的電石爐,每小時可以產(chǎn)生含熱2500×104kJ電石氣,折合標(biāo)準(zhǔn)煤855千克,經(jīng)理論計算能夠滿足電石渣烘干需要。這樣,不僅利用了電石氣的熱能,而且節(jié)省了一套電石氣處理系統(tǒng),對電石廠來說可以節(jié)省大量的投資。在電石氣輸送工藝布置上,采用強(qiáng)力送風(fēng),并盡量縮短輸送路徑和時間,以防止管道結(jié)焦粘堵。
壓濾后的電石渣其塑性、粘性均在表觀上大幅度降低,具有一種類似水泥漿體“假凝”現(xiàn)象的物理性質(zhì),經(jīng)儲存風(fēng)干和采用防堵措施后,解決了喂料及粘堵。供熱系統(tǒng)提供900~1100℃持續(xù)高溫?zé)煔?,選擇長徑比較大的烘干機(jī),安裝強(qiáng)化蒸發(fā)裝置,使電石渣在其有效烘干區(qū)域內(nèi)有充裕的干燥強(qiáng)度和時間;系統(tǒng)選用能處理高濃度粉塵、抗結(jié)露、防腐蝕袋式除塵器進(jìn)行除塵,使其達(dá)標(biāo)排放。
實(shí)際生產(chǎn)中,2-F3.0×25m回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,單機(jī)產(chǎn)量為26~30t/h。
2.2 生料的烘干及粉磨
生料采用石灰石、電石渣、粘土、硫酸渣、砂巖五組份配料,需要研磨的物料約占37.7%。根據(jù)入磨物料綜合水分為11~14%的特點(diǎn)和原料易磨性實(shí)驗結(jié)果,采用烘干能力強(qiáng)、熱交換和粉磨效率高的立式磨作為生料磨。
通過對窯尾廢氣成分進(jìn)行分析和熱力學(xué)計算,可以利用廢氣作為烘干熱源。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計為:進(jìn)立式磨氣體溫度為340℃,立式磨產(chǎn)量為75~85t/h,出磨生料水份小于1%,出磨氣體與生料的溫度均為80℃。為了更好地滿足粉磨摻大量電石渣生料的要求,專門研制的HRM1900/2200立式磨,具有45~60t/h生料的研磨能力和80~90t/h生料的烘干能力。
在磨輥的快速碾壓下,水分為10~12%的混合料被粉碎并且向磨盤邊沿風(fēng)環(huán)處拋灑,并被70~90m/s的高速氣流帶起,產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱交換。水分沒有來得及蒸發(fā)的大塊物料會再次沉落,反復(fù)帶起、沉落,充分進(jìn)行熱交換。高速氣流在磨腔內(nèi)流速很快降低,形成強(qiáng)烈的紊流場,特別適合于電石渣微細(xì)顆粒的烘干。粉狀物料隨氣流一起上升通過磨機(jī)上殼體進(jìn)入分離器的分級區(qū),在分離器轉(zhuǎn)子葉片的作用下,其中的粗粉落回磨盤與新喂入的物料一起重新粉磨,合格的細(xì)粉隨氣流一起出磨,經(jīng)高效旋風(fēng)收塵器收集后,與增濕塔和窯尾電收塵器收集的粉塵混合,由輸送設(shè)備送入生料均化庫內(nèi)進(jìn)行均化、儲存。出磨的廢氣匯入窯尾電收塵器進(jìn)行除塵后達(dá)標(biāo)排放。
HRM1900/2200生料立式磨,是在HRM1900基礎(chǔ)上專為烘干、粉磨含電石渣生料而研制的,利用窯尾廢氣作為熱源。該系統(tǒng)于2005年7月28日開始調(diào)試,當(dāng)時對擋料圈高度、吐渣、系統(tǒng)參數(shù)等缺乏經(jīng)驗,為此進(jìn)行了不斷的摸索發(fā)現(xiàn):控制好入磨原料粒度、入磨原料綜合水分、喂料量、吐渣及系統(tǒng)用風(fēng)等環(huán)節(jié),調(diào)整好擋料圈的高度對立式磨的運(yùn)行至關(guān)重要。在正常情況下,磨內(nèi)的料層厚度大約30~60mm,此時磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),磨音柔和,外循環(huán)料量基本保持不變;料層太薄,磨機(jī)震動大;料層太厚,磨機(jī)負(fù)荷大而粉磨效率降低,嚴(yán)重時也會造成劇烈震動。由于生產(chǎn)初期,硅質(zhì)原料全部用砂巖配料,造成立式磨運(yùn)行半個月后就出現(xiàn)磨輥部分磨蝕,產(chǎn)量開始下降,在電石渣摻量為30%時,磨機(jī)產(chǎn)量只有60t/h(0.08mm篩余12~14%),影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
原料易磨性測試結(jié)果見下表。其粉磨功指數(shù)為18.20KWh/t,說明砂巖非常難以研磨,用眼睛觀察,砂巖結(jié)晶度完好而且含量多,后改成粘土和砂巖共同配料,系統(tǒng)于2005年8月22日正常平穩(wěn)運(yùn)行,產(chǎn)量穩(wěn)定在76t/h以上,生料系統(tǒng)平均電耗19kWh/t。
原 料 易 磨 性 測 試 結(jié) 果
HRM1900/2200立式磨的主要操作及控制參數(shù)見下表
HRM1900/2200立式磨的主要操作及控制參數(shù)
2.3 預(yù)分解系統(tǒng)
針對電石渣替代石灰石生產(chǎn)水泥熟料的特殊性,我們用差熱分析法對電石渣的脫水做了試驗,結(jié)果如下:
電石渣從室溫升溫到870℃時,儀器記錄了失重(TG)和差熱(DTA)的曲線,電石渣在190℃時有弱吸熱伴微失重峰,此峰值為吸附水脫出;350℃時弱吸熱伴微失重峰為水化鋁酸鈣結(jié)構(gòu)水脫出,584℃時出現(xiàn)強(qiáng)吸熱伴快失重峰,Ca(OH)2脫水,失重為16.3%;830℃時為吸熱伴有失重,870℃的放熱峰無重量變化,前一峰值為水化硅酸鈣脫去結(jié)構(gòu)水,后一峰值為水化硅酸鈣的晶型轉(zhuǎn)化。試驗過程中試樣總失重25.68%,按電石渣CaO全部結(jié)合為Ca(OH)2,69.36%CaO結(jié)合水為22.29%,其余失重應(yīng)來自水化硅酸鈣結(jié)合水和電石渣中的碳粒。
我們按JC/T735-88生料易燒性實(shí)驗方法進(jìn)行了生料易燒性測試。原料的化學(xué)成分分析結(jié)果如下。
原料的化學(xué)成分分析結(jié)果
生料配料分為兩組,其配比見下表。
原料的配比
熟料的游離氧化鈣含量分析結(jié)果見下表。
熟料的礦物組成
熟料的游離氧化鈣含量結(jié)果見下表
原料煅燒后的熟料游離氧化鈣含量分析
在此原料配合比的情況下說明易燒性能很好,均能燒出較少的游離鈣,在1450℃的煅燒溫度時均出現(xiàn)融熔狀態(tài)。
在溫度低于900℃ 以下時,電石渣配料與常規(guī)生料的差異如下:
(1)電石渣中Ca(OH)2的分解溫度與石灰石中CaCO3不同。電石渣中含有較多毛細(xì)水和結(jié)晶水,分解溫度較低,電石渣中Ca(OH)2的分解溫度約580℃左右,低于石灰石中CaCO3的750℃分解溫度。
(2)Ca(OH)2分解吸熱與CaCO3不同,前者分解吸熱為1160kJ/kg,而后者為1660kJ/kg。
(3)電石渣顆粒較細(xì),脫水較早,在溫度較高的旋風(fēng)筒和分解爐錐部易產(chǎn)生堵塞,不利于連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。
(4)熟料形成熱不同。電石渣在生料中所占比例達(dá)到63.5%時,該生料的熟料形成熱為1025kJ/kg,約為普通原料所配生料的熟料形成熱的3/5。
因此,電石渣配料生產(chǎn)水泥熟料時,必須充分考慮預(yù)熱器、分解爐的結(jié)構(gòu)[ 3]。電石渣的摻入量越大,對預(yù)熱器、分解爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響也越大。經(jīng)過對系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和平衡計算,燒成熱耗確定為3100~3360kJ/kg,其中蒸發(fā)生料物理水的耗熱為35kJ/kg,熟料形成熱為1025kJ/kg;預(yù)熱器出口廢氣溫度按340℃考慮時,廢氣帶走熱700kJ/kg;入窯物料分解率按90~95%設(shè)計。研制開發(fā)出的預(yù)熱器為:低阻型、高分離效率、顯著防堵的新型低壓損S型結(jié)構(gòu)、3R大包角形式蝸殼、偏錐新型五級旋風(fēng)預(yù)熱器。分解爐采用旋流、噴騰、懸浮原理,使燃料有充分的燃燒時間,物料與燃料充分混合,在爐內(nèi)有較長的停留時間,燃料在較低溫度的SC室大量燃燒,分解爐系統(tǒng)沒有產(chǎn)生局部高溫的條件,因而系統(tǒng)結(jié)皮堵塞現(xiàn)象很少。預(yù)分解系統(tǒng)關(guān)鍵部位采用特殊的襯料,專門研制的預(yù)分解系統(tǒng)為RBH5/1300型。
3 實(shí)際運(yùn)行效果
2005年7月18~28日,電石渣漿脫水、壓濾及預(yù)烘干、石灰石破碎、生料粉磨、煤粉制備等系統(tǒng)先后順利完成負(fù)荷試車。8月22日,生料粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定在76t/h,到9月份生料系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定在85t/h以上,系統(tǒng)平均電耗18kWh/t。
8月8日,燒成系統(tǒng)點(diǎn)火,8月12日生產(chǎn)出合格熟料。燒成系統(tǒng)運(yùn)行初期,產(chǎn)量控制在1000t/d左右。隨著操作人員操作水平的提高,在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好的條件下,產(chǎn)量逐漸增加,到9月份燒成系統(tǒng)熟料產(chǎn)量達(dá)到了1200t/d以上,熟料28天抗壓強(qiáng)度≥58MPa,熟料燒成熱耗760×4.18kJ/kg。
2005年10月25日開始,生料中電石渣摻量超過50%(干基),電石渣替代石灰石量達(dá)60%以上。2005年12月15日開始,生料中電石渣摻量超過60%(干基),電石渣替代石灰石量達(dá)70%以上。
4 結(jié) 語
該生產(chǎn)線是國內(nèi)首條高摻電石渣、“干磨干燒”新型干法水泥生產(chǎn)線,每年可以消耗電石渣30萬噸(干基),全年可以節(jié)省約35萬噸優(yōu)質(zhì)石灰石資源和少向大氣中排放15萬噸CO2。與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥熟料工藝相比,節(jié)煤46%,全年少耗標(biāo)準(zhǔn)煤約2萬噸,少向大氣中排放4.6萬噸CO2;與“濕磨干燒”新型干法工藝生產(chǎn)水泥熟料相比,節(jié)煤20%,全年少耗標(biāo)準(zhǔn)煤約1萬噸,少向大氣中排放2.3萬噸CO2。另外,與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝及“濕磨干燒”新型干法窯生產(chǎn)工藝相比,全年約少消耗水5.4萬立方米。
電石渣替代石灰石配料、“干磨干燒”新型干法水泥生產(chǎn)線的順利投產(chǎn),否定了“不能用預(yù)分解系統(tǒng)煅燒高摻電石渣生料”的觀點(diǎn),是一次有益的嘗試,為我國建材行業(yè)和化工行業(yè)的節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和資源綜合利用開辟了廣闊的前景,對建設(shè)節(jié)約型社會、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要的示范意義。
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