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熱油循環(huán)方法回收利用燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱——海上氣田燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱的回收利用

摘要：由于受海洋特殊地理環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)施及投資成本等因素的制約，目前海上油氣生產(chǎn)對(duì)燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱的回收利用還是一個(gè)空白。為此，針對(duì)海上平臺(tái)淡水資源缺乏、平臺(tái)空間有限的特點(diǎn)，結(jié)合中海石油有限公司湛江分公司崖城氣田的工藝流程，在優(yōu)選燃?xì)馔钙綗煔庥酂峄厥绽梅桨傅幕A(chǔ)上，提出了熱油循環(huán)方法回收利用燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱的設(shè)計(jì)方案：拆除三甘醇再沸器的直燃式加熱火管及其燃料氣控制系統(tǒng)，在三甘醇再沸器里面安裝熱油盤管，在燃?xì)馔钙綑C(jī)煙囪內(nèi)部安裝一個(gè)煙氣/熱油換熱器，用于回收燃?xì)馔钙綑C(jī)的煙氣余熱，將熱油加熱到245～300℃之間，建立一套熱油循環(huán)系統(tǒng)，持續(xù)地將已加熱的熱油輸送到熱油盤管，加熱三甘醇再沸器里的富液三甘醇。可行性及經(jīng)濟(jì)性分析表明：該方案需要改造和增加的設(shè)備少、體積小，平臺(tái)空間占用少，改造工作量少，工程實(shí)施的技術(shù)難度不大，生產(chǎn)操作可靠性高，可行性強(qiáng)，初期投入資金(305.5萬(wàn)元)、生產(chǎn)操作及維修保養(yǎng)成本較低(35.1萬(wàn)元/a)；每年可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排量為1955.023t標(biāo)準(zhǔn)煤、可節(jié)約燃料氣161×104m3，折合節(jié)約費(fèi)用322萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀，節(jié)能減排效果明顯，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；海上平臺(tái)；燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣；余熱；回收利用；三甘醇再沸器；熱油循環(huán)；可行性；經(jīng)濟(jì)性
中海石油有限公司湛江分公司崖城氣田(下稱崖城氣田)海上平臺(tái)安裝有若干臺(tái)燃?xì)馔钙絼?dòng)力機(jī)組，這些燃?xì)馔钙絼?dòng)力機(jī)組所需要的燃料均來(lái)自氣田自產(chǎn)的天然氣，其動(dòng)力強(qiáng)大，排出的煙氣流量很大，溫度約為500℃，能量利用率在20%～33%之間，大部分能量以熱能的形式隨著煙氣直接排往大氣。燃?xì)馔钙綑C(jī)排放煙氣中蘊(yùn)藏的余熱是一種高品質(zhì)的熱資源，其回收利用技術(shù)在國(guó)內(nèi)外陸上石油石化生產(chǎn)領(lǐng)域已得到大力發(fā)展[1～4]，但是在我國(guó)海域內(nèi)，由于受海洋特殊地理環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)施及投資成本等因素的制約，對(duì)燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱的利用還是一個(gè)空白。如果采取有效措施來(lái)回收這些熱資源，以替代海上平臺(tái)生產(chǎn)流程以及生活設(shè)施所需要的熱源，不僅可以提高平臺(tái)的能量利用率，降低能耗，還可以改善海上平臺(tái)的生產(chǎn)和生活環(huán)境。
1 余熱回收利用的方案選擇
根據(jù)國(guó)內(nèi)外能源生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)增加回收煙氣余熱的設(shè)施可以使燃?xì)馔钙綑C(jī)的能量利用率超過(guò)70%。大體上，國(guó)內(nèi)外燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱的回收利用主要有以下4個(gè)方案：①安裝廢熱鍋爐，利用燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱生產(chǎn)高溫過(guò)熱水蒸氣，供蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)其他動(dòng)力設(shè)備或者發(fā)電設(shè)備等；②安裝余熱回收換熱器，用于加熱生產(chǎn)流程上的各種流體；③將高溫的燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣作為鍋爐或熔爐的燃燒空氣來(lái)源(燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣中仍含有15%～18%的氧氣)；④將高溫燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣直接輸送到需要高溫空氣加熱或干燥的生產(chǎn)流程上[5]。
以上4個(gè)方案均受不同應(yīng)用場(chǎng)合具體條件的限制。氣田在平臺(tái)設(shè)計(jì)階段已考慮足夠的動(dòng)力設(shè)備，不需要再添置，而且海上平臺(tái)缺乏淡水資源，顯然第1個(gè)方案不適用于海上氣田；氣田平臺(tái)是安裝在海上的鋼結(jié)構(gòu)綜合體，為油氣生產(chǎn)處理設(shè)備及生活后勤設(shè)施提供所需的場(chǎng)地空間，在設(shè)計(jì)、建造階段就沒有考慮配置大型的鍋爐或者熔爐，第3個(gè)方案也不適用；第4個(gè)方案需要額外占用大量的空間，因平臺(tái)空間有限，此余熱回收利用方案也不適用；現(xiàn)階段平臺(tái)生產(chǎn)流程上的主要熱源用戶是2臺(tái)直燃式三甘醇再沸器，改造方便，不受平臺(tái)資源及空間限制，每臺(tái)再沸器每天消耗燃料氣約2300m3，2臺(tái)再沸器年消耗燃料氣161×104m3，該設(shè)備的節(jié)能潛力很大。因此，本文將重點(diǎn)探討第2個(gè)燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱回收利用方案，安裝余熱回收換熱器，利用高溫燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣所加熱的中間介質(zhì)作為三甘醇再沸器的熱源。



2 燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱回收利用的實(shí)施方案
2.1 技術(shù)思路
實(shí)現(xiàn)第2個(gè)燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱回收利用方案的技術(shù)思路是拆除三甘醇再沸器的直燃式加熱火管及其燃料氣控制系統(tǒng)，在三甘醇再沸器里面安裝熱油盤管，改造燃?xì)馔钙綑C(jī)煙囪，在煙囪內(nèi)部安裝一個(gè)煙氣/熱油換熱器(熱油加熱器)，用于回收燃?xì)馔钙綑C(jī)的煙氣余熱，將熱油加熱到245～300℃之間，建立一套熱油循環(huán)系統(tǒng)，持續(xù)地將已加熱的熱油輸送到熱油盤管加熱三甘醇再沸器里的富液三甘醇。三甘醇再沸器改造示意圖如圖1所示。
本文以燃?xì)馔钙街靼l(fā)電機(jī)的煙氣余熱回收為例進(jìn)行闡述，改造后的三甘醇再沸器工藝流程如圖2所示。
2.2 熱油的選擇
在該方案中，熱油循環(huán)系統(tǒng)用于提供三甘醇再沸器所需的熱量，以滿足三甘醇再生工藝所需的熱負(fù)荷。該系統(tǒng)采用一種液態(tài)有機(jī)合成物(Thermion 59)作為傳熱介質(zhì)油(俗稱熱油)，與其他熱油相比，它的使用成本較低，具有良好的流動(dòng)性和熱穩(wěn)定性，在-60～300℃范圍內(nèi)有較長(zhǎng)的使用壽命。
2.3 流程及設(shè)計(jì)說(shuō)明
2.3.1三甘醇再沸器
改造后三甘醇再沸器所需的熱量通過(guò)浸沒在三甘醇液床中的熱油盤管傳遞，熱油盤管的熱傳遞速率應(yīng)與原有系統(tǒng)直燃式加熱火管的熱傳遞速率相當(dāng)，設(shè)計(jì)值應(yīng)為1.14×106kJ/h，以滿足再生系統(tǒng)的熱負(fù)荷。溫度傳感器1監(jiān)控三甘醇再沸器的液床溫度，溫度控制器的溫度設(shè)定點(diǎn)仍為180℃，保持與原有系統(tǒng)一致，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度控制閥1來(lái)控制三甘醇再沸器的溫度(見圖2)[6]。為了防止三甘醇的裂解，再沸器內(nèi)三甘醇的溫度不能超過(guò)190℃。
另外，因?yàn)樵俜衅骷訜岬氖侨蚀己蜔N類的混合溶液，而且溫度很高，如果操作不當(dāng)或是設(shè)備運(yùn)行不正常，就會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成一定的危害，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮必要的安全控制手段，如三甘醇溶液的高溫關(guān)斷和三甘醇溶液的低液位關(guān)斷。
2.3.2熱油過(guò)濾器
在正常操作中，應(yīng)保持一股流量適當(dāng)?shù)臒嵊土鹘?jīng)熱油過(guò)濾器，以除去由于熱油裂解所產(chǎn)生的固體雜質(zhì)。通過(guò)對(duì)過(guò)濾器入口流量計(jì)的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)熱油流量變低或在定期檢查中發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器有雜質(zhì)堵塞時(shí)，就需要更換熱油過(guò)濾器的濾芯。
為保證在連續(xù)生產(chǎn)下安全地更換過(guò)濾器濾芯，熱油過(guò)濾器應(yīng)設(shè)計(jì)在與三甘醇再沸器并行的管線上(見圖2)，而不應(yīng)在三甘醇再沸器加熱盤管入口管線上。該設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是只需安裝1個(gè)過(guò)濾器即可，減少了對(duì)平臺(tái)空間的要求。
2.3.3熱油膨脹罐
熱油膨脹罐應(yīng)選用臥式容器，以便于釋放熱油因溫度升高所產(chǎn)生的膨脹量。生產(chǎn)操作人員通過(guò)觀察熱油膨脹罐的液位變化來(lái)隨時(shí)監(jiān)控?zé)嵊偷南牧俊．?dāng)液位過(guò)低時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充熱油以維持正常生產(chǎn)。
熱油膨脹罐的覆蓋氣采用氮?dú)獍l(fā)生器系統(tǒng)產(chǎn)生的氮?dú)猓糜诜€(wěn)定熱油膨脹罐的壓力，由2個(gè)自力式壓力調(diào)節(jié)閥共同調(diào)節(jié)控制。壓力調(diào)節(jié)閥1設(shè)定值為20kPa，當(dāng)熱油膨脹罐內(nèi)壓力低于20kPa時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥1打開，將氮?dú)庋a(bǔ)充到罐內(nèi)；壓力高于20kPa時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥1閉合。壓力調(diào)節(jié)閥2設(shè)定值為35kPa，當(dāng)熱油膨脹罐內(nèi)壓力超過(guò)35kPa時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥2打開，把多余的壓力釋放到氣田低壓排放系統(tǒng)中；壓力降低到35kPa時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥2閉合[7]。
2.3.4熱油循環(huán)泵
熱油循環(huán)系統(tǒng)由2臺(tái)(如A/B泵)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵和一些必要的控制元器件組成，一用一備，有利于連續(xù)不間斷生產(chǎn)。熱油循環(huán)泵的流量應(yīng)能滿足三甘醇再沸器所需的熱量，其揚(yáng)程的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足從熱油膨脹罐提升熱油循環(huán)到透平煙氣出口的換熱管及三甘醇再沸器熱油盤管的需求。在2臺(tái)熱油循環(huán)泵的出口應(yīng)設(shè)計(jì)壓力開關(guān)裝置，當(dāng)泵出口壓力高于壓力開關(guān)設(shè)定點(diǎn)時(shí)將觸發(fā)熱油系統(tǒng)的聯(lián)鎖關(guān)停。
目前氣田使用的熱油(Thermion 59)比熱容為2.62kJ/(kg·℃)，密度為971kg/m3，假設(shè)熱油經(jīng)透平煙氣加熱后工作溫度為300℃，經(jīng)三甘醇再沸器后溫度降為190℃，那么三甘醇再沸器前后熱油溫差為110℃。前述三甘醇再沸器的熱傳遞速率為1.14×106kJ/h，則每臺(tái)再沸器需要的熱油流量為4.07m3/h，2臺(tái)再沸器需要的熱油流量為8.14m3/h。由此可見，在熱油泵設(shè)備選型時(shí)，采用流量較小、功率合適的離心泵即可。
2.3.5熱油加熱器
2.3.5.1 燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣排放的背壓
燃?xì)馔钙綑C(jī)煙囪的改造設(shè)計(jì)不能改變?nèi)細(xì)馔钙綑C(jī)煙氣排放的背壓。經(jīng)熱油泵增壓后的熱油進(jìn)入安裝在燃?xì)馔钙綑C(jī)煙囪里的熱油加熱器，自上而下流動(dòng)，與燃?xì)馔钙綑C(jī)排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)行逆流傳熱，充分吸收燃?xì)馔钙綑C(jī)的煙氣余熱(見圖2)。
在燃?xì)馔钙綑C(jī)煙囪內(nèi)安裝熱油加熱器必然會(huì)導(dǎo)致煙囪有效橫截面積(即煙氣有效流通面積)減小，所以熱油加熱器的設(shè)計(jì)及燃?xì)馔钙綑C(jī)煙囪的改造應(yīng)使燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣排放的背壓與改造前一致，使高溫?zé)煔饽芷椒€(wěn)地經(jīng)過(guò)換熱管段，不影響燃?xì)馔钙綑C(jī)的正常工作。
排煙系統(tǒng)的背壓由下式計(jì)算：
p=314LSQ2/A2.5
式中p為透平機(jī)排煙系統(tǒng)的背壓，kPa；L為煙囪直管及彎頭長(zhǎng)度，m；S為透平機(jī)排煙系統(tǒng)背壓隨排煙絕對(duì)溫度的變化關(guān)系；Q為排煙流量，m3/h；A為煙囪有效流通面積，m2。對(duì)于同一型號(hào)的燃?xì)馔钙綑C(jī)來(lái)說(shuō)，如果其運(yùn)行參數(shù)S、Q不可以改變，那么煙囪長(zhǎng)度(L)也不可以改變。
由上式可知，在安裝熱油換熱器的同時(shí)，通過(guò)改造煙囪，相應(yīng)地?cái)U(kuò)大煙囪內(nèi)徑，使改造前后煙囪的有效流通面積保持不變，就可以保證燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣排放的背壓與改造之前一致。
2.3.5.2 熱油溫度控制
燃?xì)馔钙街靼l(fā)電機(jī)在怠速運(yùn)行時(shí)，煙氣溫度為480℃，熱值(Hmin)約為2.55×107kJ/h；當(dāng)其在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣溫度為530℃，熱值約為3.15×107kJ/h。現(xiàn)階段2臺(tái)三甘醇再沸器所需最大熱負(fù)荷(Qmax)僅為2.28×106kJ/h。
當(dāng)燃?xì)馔钙街靼l(fā)電機(jī)在怠速運(yùn)行時(shí)，熱油加熱器的熱量回收率(δ)只需超過(guò)8.94%[δ=(Qmax/Hmin)×100%]，那么熱油所吸收的煙氣余熱就完全可以滿足三甘醇再生系統(tǒng)的熱量需求。在換熱器設(shè)計(jì)時(shí)可相應(yīng)增大換熱器的換熱面積，留出足夠的操作余量來(lái)滿足未來(lái)系統(tǒng)擴(kuò)展的需求和降低發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化時(shí)對(duì)三甘醇再生熱量需求的影響。
熱油所攜帶的熱量主要由溫度控制器2按相應(yīng)的設(shè)定值輸出給溫度控制閥2來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。熱油Thermion 59允許最高膜溫為330℃，經(jīng)加熱后的熱油溫度應(yīng)控制不高于300℃。如果熱油溫度控制系統(tǒng)失靈，在熱油加熱器里熱油溫度過(guò)高，熱油就會(huì)發(fā)生裂解變質(zhì)，因此在熱油加熱器出口還應(yīng)設(shè)計(jì)溫度開關(guān)裝置，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，觸發(fā)熱油系統(tǒng)的聯(lián)鎖關(guān)停。
2.3.5.3 熱油系統(tǒng)保護(hù)連鎖及氮?dú)獯祾哐b置
當(dāng)熱油系統(tǒng)的聯(lián)鎖關(guān)停觸發(fā)時(shí)，整個(gè)熱油循環(huán)系統(tǒng)停止工作，會(huì)有一部分熱油滯留在熱油加熱器里，此時(shí)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)是不會(huì)停止的，高溫?zé)煔膺€會(huì)源源不斷地排出，不斷加熱滯留在熱油加熱器里的熱油，這部分熱油很快會(huì)由于溫度過(guò)高而裂解。因此，需要采取必要的措施來(lái)避免這種情況出現(xiàn)。
在系統(tǒng)正常工作時(shí)，關(guān)斷閥1是打開的，關(guān)斷閥2是關(guān)閉的。當(dāng)出現(xiàn)熱油系統(tǒng)的聯(lián)鎖關(guān)停或生產(chǎn)關(guān)停時(shí)，設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出命令，關(guān)斷閥1立即關(guān)閉，關(guān)斷閥2立即打開。這時(shí)來(lái)自氮?dú)獍l(fā)生器系統(tǒng)的低壓氮?dú)饩蜁?huì)進(jìn)入熱油加熱器，將熱油吹掃干凈。進(jìn)入熱油系統(tǒng)的氮?dú)庾罱K進(jìn)入到熱油膨脹罐，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥2釋放到氣田低壓排放系統(tǒng)中。
3 可行性及經(jīng)濟(jì)性分析
3.1 可行性分析
實(shí)施該設(shè)計(jì)方案需要改造的設(shè)備主要有三甘醇再沸器和燃?xì)馔钙綑C(jī)煙囪，需要增加的設(shè)備主要有熱油膨脹罐1個(gè)、熱油過(guò)濾器1個(gè)和熱油循環(huán)泵2臺(tái)。
燃?xì)馔钙綑C(jī)生產(chǎn)商有完整的燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱回收利用系統(tǒng)供用戶選擇，也有很多廠家專業(yè)生產(chǎn)煙氣余熱回收成套設(shè)備，同時(shí)也可請(qǐng)專業(yè)廠家專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)。因此，采購(gòu)燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱回收利用系統(tǒng)和對(duì)其進(jìn)行設(shè)備改造的難度都不大。
氣田現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)表明，在冷啟動(dòng)時(shí)，熱油系統(tǒng)從啟動(dòng)至到達(dá)工作溫度所需的時(shí)間短(1h左右)，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，熱油消耗量很低，維護(hù)成本較低。該方案需要改造和增加的設(shè)備簡(jiǎn)單，體積小，占用平臺(tái)空間不多，改造工作量少，工程實(shí)施的技術(shù)難度不大，生產(chǎn)操作可靠性高，可行性強(qiáng)。
3.2 經(jīng)濟(jì)性分析
從前面的討論中可以看到，該方案拆除原有三甘醇再沸器的直燃式加熱火管及其燃料氣控制系統(tǒng)，改為熱油加熱后，每年將節(jié)約燃料氣161×104m3，每年可實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排量為1955.023t標(biāo)準(zhǔn)煤。按目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上天然氣價(jià)格約為2元/m3計(jì)，每年將節(jié)約費(fèi)用322萬(wàn)元。
根據(jù)目前崖城氣田使用的相關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)格，可以估算出整個(gè)改造項(xiàng)目的初期投資費(fèi)用為305.5萬(wàn)元，改造項(xiàng)目初期固定投資列表見表1。


經(jīng)改造后，整個(gè)系統(tǒng)的日常維護(hù)保養(yǎng)及維修均納入氣田生產(chǎn)設(shè)施制度化管理的范圍內(nèi)，按照目前氣田相同設(shè)備的維修和維護(hù)成本估算，其費(fèi)用支出為35.1萬(wàn)元/a，改造項(xiàng)目日常維護(hù)保養(yǎng)及維修費(fèi)用列表見表2。


經(jīng)改造后，在整個(gè)新系統(tǒng)節(jié)約費(fèi)用及設(shè)備維護(hù)費(fèi)用不變的前提下，項(xiàng)目初期投資的回收周期為1.06年，此后，每年可以為氣田凈節(jié)約費(fèi)用286.9萬(wàn)元。
根據(jù)國(guó)家規(guī)定，熱能工程項(xiàng)目的基準(zhǔn)投資回收期一般為8～10年，小型項(xiàng)目一般為7年。相對(duì)于資金高投入的海上油氣開發(fā)工程來(lái)說(shuō)，投資回收周期少于2年是非常理想的[8]。
綜上所述，實(shí)施該方案初期投入資金不高，生產(chǎn)操作及維護(hù)保養(yǎng)成本低，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
4 應(yīng)用前景
在崖城氣田海上平臺(tái)上，除了三甘醇再沸騰器以外，還有一些生產(chǎn)設(shè)備和生活設(shè)施是需要使用熱源的，其主要電加熱器一覽表見表3。



假設(shè)以上熱源用戶均在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，總功率將達(dá)到650kW。這些主要電加熱器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。



如果將這些熱源用戶全部改造成熱油換熱，并充分回收利用氣田上其他所有燃?xì)馔钙綑C(jī)得煙氣余熱，與本文2.3中涉及的熱油循環(huán)系統(tǒng)連成一體，那么將實(shí)現(xiàn)燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱回收利用最大化，其流程如圖3所示。其相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)核算見表5。這將會(huì)大量減少燃料氣的消耗量，提高能源的利用率，節(jié)約氣田開發(fā)生產(chǎn)成本，增加崖城氣田的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。



5 結(jié)束語(yǔ)
本文探討的熱油循環(huán)方法回收利用燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)可行，易于推廣，經(jīng)濟(jì)效益好。不管是將本設(shè)計(jì)方案用于新建海上油氣田還是用于改造已有的油氣田設(shè)施，都將會(huì)極大地優(yōu)化海上油氣田的能源利用狀況，有利于貫徹國(guó)家的節(jié)能減排戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)低碳、清潔生產(chǎn)。
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