高炉渣余热利用技术的现状及发展趋势-余热发电.doc

高炉渣余热利用技术的现状及发展趋势摘要： 本文系统的分析了高炉渣湿法与干法处理工艺及其余热利用的国内外现状,简述了底滤法(OCP)、因巴法(INBA)、拉萨法(RASA)、图拉法(TYNA)等典型的水淬法工艺，总结了水淬渣方式存在的诸多弊端，对风淬法、双内冷却转筒粒化法、Merotec 熔渣粒化流化法、机械粒化法、连铸连轧法、化学法等干法处理技术的研究进展和发展现状进行了总结。最后得出结论: 离心粒化等干式余热回收技术在利用高炉渣的高品质热源时,不会造成水资源的浪费, 不会产生硫化氢、二氧化硫等有害气体,在克服水渣法固有缺点的同时，还可以得到玻璃化程度高的高附加值成品渣，是今后高炉渣余热回收工艺的发展趋势。关键词：高炉渣；余热利用；水淬；干式粒化 1 前言中国目前是全球最大的钢铁生产国。中国钢铁产量已连续16年保持世界第一，并且遥遥领先于其他国家。同时伴随我国高炉冶炼生产排出的含丰富热能的高炉渣数量也是巨大的，从节能与环保以及提高钢铁厂的经济效益的角度来看，对高炉渣的热量进行回收和高炉渣的资源化利用是十分必要的。炉渣的出炉温度一般在14001550之间。每吨渣含（12601880）103kJ的显热，相当于60kg标准煤的热值1。每生产1吨生铁要副产0.3吨高炉渣，每生产1吨钢要副产0.13吨钢渣2，以目前我国的钢铁产量6.83亿吨进行计算，可产生2.9亿吨以上的高炉渣和转炉渣，其显热量相当于1740万吨标准煤，尽管并非可以全部回收高炉渣的热能，但若能部分回收利用，其节能效益也是显著的，非常具有市场开发潜力。就目前应用大量应用水淬技术情况来看，这部分高温热源显然是被浪费了，该高温热源就温度品质来说，完全符合高品位能源的要求，如果能回收这部分热量得以重新利用，就可以为社会和企业带来可观的经济、社会和环保效益。开展余热余能的回收利用不仅是钢铁企业节约能源降低成本，提高竞争力的重要手段，而且也符合国家钢铁工业的政策要求。在我国的钢铁工业“十二五”发展规划中明确指出要大力发展清洁生产和循环经济，积极研发和推广使用节能减排和低碳技术，加强废弃物的资源化综合利用2。在节能减排方面提出以下几个重要指标，单位工业增加值能耗和二氧化碳排放分别下降18%，重点统计钢铁企业平均吨钢综合能耗低于580千克标准煤，吨钢耗新水量低于4.0立方米，吨钢二氧化硫排放下降39%，吨钢化学需氧量下降7%，固体废弃物综合利用率97%以上。在钢铁工业的节能减排技术方面重点提到了高炉渣、钢渣等显热回收利用技术、冶金渣综合利用技术和余热余压综合利用技术等。2 高炉渣处理现状目前我国常见的处理高炉渣的方法有干渣坑冷却法和水冲渣法。干渣坑冷却法将熔融的高炉渣倒入干渣坑空冷，凝固后水冷。此法污染地下水源，降温时放出大量水蒸气，同时释放大量的H2S和SO2气体，腐蚀建筑、破坏设备和恶化工作环境，一般只在事故处理时使用该法。我国90%的高炉渣都采用水冲渣法处理，得到的水渣用于生产水泥、渣砖、矿渣微粉和隔热填料。高炉渣水淬方式很多，主要处理工艺有：底滤法(OCP)、因巴法(INBA)、拉萨法(RASA)、图拉法(TYNA)等。尽管冲渣工艺在不断的发展，但其技术的核心还是对高炉熔渣进行喷水水淬，冷却、粒化成水渣，然后进行水渣分离，冲渣的水经过沉淀过滤后再循环使用。2.1底滤法底滤法是在冲制箱内用多孔喷头喷射的高压水对高炉渣进行水淬粒化，然后进入沉渣池（图1）。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣场继续脱水，沉渣池内的水及悬浮物由分配渠流入过滤池。过滤后的冲渣水经集水管由泵加压送入冷却塔冷却后重复使用。底滤法的滤池的总深度较低；机械设备少，施工、操作、维修都较方便；循环水质好，水渣质量好；冲渣系统用水可实现100循环使用，没有外排污水，有利于环保。其缺点是占地面积大，系统投资也较大3。1高炉; 2抓斗吊车; 3冲渣器;4水溢流;5贮料斗;6粒化器;7冲洗空气入口; 8水出口图1底滤法水渣处理工艺示意图2.2拉萨法拉萨法为英国RASA公司与日本钢管公司共同开发的炉渣处理工艺, 1967 年首次在日本福山钢铁厂1号高炉(2004m3 )上使用（图2）。拉萨法的工艺流程为：高炉熔渣由渣沟流入冲制箱，与压力水相遇进行水淬。水淬后的渣浆在粗粒分离槽内浓缩，浓缩后的渣浆由渣浆泵送至脱水槽脱水；浮在分离槽水面的微粒渣由溢流口流入中间槽，由中间槽泵送到沉淀池，经沉淀后，用排泥泵送回脱水槽，同粗粒分离器送去的渣水混合物一起进行脱水，脱水后水渣由卡车外运4。1水渣槽;2喷水口;3搅拌槽;4输渣泵;5循环槽搅拌泵;6搅拌槽搅拌泵;7冷却塔;8循环水槽;9沉降槽;10冲渣给水泵;11冷却泵;12分配器;13脱水槽;14汽车;15排泥泵图2 拉萨法水渣处理工艺示意图该法炉渣处理量大、水渣质量较好，技术上有一定进步。但该法因工艺复杂、设备较多、电耗高及维修费用大等缺点，在新建大型高炉上已不再采用。2.3 图拉法图拉法粒化渣工艺是俄罗斯图拉厂所创，其工艺思想是通过机械力将熔渣粒化并喷水冷却产生水渣（图3）。该法与其他水淬法不同，在渣沟下面增加了粒化轮，炉渣落至高速旋转的粒化轮上，被机械破碎、粒化，粒化后的炉渣颗粒在空中被水冷却、水淬，产生的气体通过烟囱排出5。该法最显著特点是彻底解决了传统水淬渣易爆炸的问题。熔渣处理在封闭状态下进行，循环水量少，动力能耗低，成品渣质量好6。1熔渣沟; 2粒化器;3排气筒;4脱水器;5热水池;6胶带机;7成品槽图3 图拉法水渣处理系统示意图2.4 因巴法因巴法水渣处理系统是二十世纪八十年代初由比利时西德玛(SDIMAR)公司与卢森堡保尔-乌斯(APUL-WURTH)公司共同开发的一项渣处理技术，1981年在西德玛公司投入运行7。因巴法分为热因巴、冷因巴和环保型因巴三种类型(见表1)3。典型因巴法炉渣处理系统见图4 所示。 表1 因巴法炉渣处理工艺类型项目热型冷型环保型粒化水淬粒化水淬粒化水淬粒化脱水转鼓脱水器脱水转鼓脱水器脱水转鼓脱水器脱水粒化水系统有, 粒化水直接循环有, 经冷却塔冷却后再循环有冷凝水系统无无有, 吸收蒸汽、二氧化硫、硫化氢,硫排放量很低因巴法流程为：高炉熔渣由熔渣沟流入冲制箱，经冲制箱的压力水冲成水渣进入水渣沟，然后经滚筒过滤器脱水排出。该法布置紧凑，可实现整个流程机械化、自动化，水渣质量好；冲渣水闭路循环，泵和管路的磨损小；无爆炸危险，渣中含铁量高达20 时，该系统还能安全地进行炉渣的粒化；彻底解决烟尘、蒸汽对环境的污染，达到零排放的目标。1冲制箱; 2水渣沟; 3水渣槽; 4分配器; 5转鼓过滤器; 6缓冲槽;7集水槽; 8热水池; 9冷却塔; 10冷水池; 11胶带机; 12成品槽图4 因巴法水渣处理系统示意图表2为上述几种典型高炉渣处理湿法工艺的主要技术指标，就目前来看，图拉法安全性能最高(渣中带铁达40%时，仍能正常工作)；而投资费用最大的环保型因巴法在技术上最为成熟，实际应用的高炉亦较多3。但水冲渣法无法从根本上改变粒化渣耗水的工艺特点，炉渣物理热基本全部散失，冲渣过程中S02、H2S等污染物的排放不但影响作业环境而且对空气造成污染。水淬渣方式存在以下诸多弊端：1)浪费了高炉渣所含有的高品质余热资源。13501450的液态高炉渣由出渣口排出，靠高压水将其破碎并冷却，在如此高的温度下，大部分的液态水迅速气化成水蒸气排放到大气中，浪费了该部分水蒸气含有的大量热量, 以目前我国年产生2.9亿吨高炉渣和转炉渣计算，其显热量相当于1740万吨标准煤。2)浪费大量水资源。水冲渣过程中水压大于0.2MPa，渣水之比为1:1，每吨渣需消耗新水0.81.2吨，循环用水量10t左右。中国目前高炉生铁产量超过6.8亿吨，全年高炉渣产量约2亿吨，用于水淬渣的新水消耗量约2亿吨。3)产生SO2及H2S等有害气体，除环保型INBA法外的其他水渣系统均将冲渣过程产生的含硫蒸汽直接排入大气中，不同INBA法随蒸汽排入大气的硫化物量分别为（具体数值与高炉原料条件有关）：热水INBA法为250g/t，普通冷水INBA法为25g/t，最环保的环保型INBA法也有5g/t，按目前的炉渣产生量即使全部采用最环保的INBA法，全年将排放1450tSO2，目前的SO2的排放现状是此数值的几十倍计。因此，利用干法将高炉渣粒化作为水泥原料，同时高效利用炉渣显热，减少对环境的污染，是高炉渣处理的发展趋势。表2 几种高炉渣处理方法技术经济指标比较项目耗电量/(kWh/t)耗水量（渣/水）渣含水率/%占地面积投资国内钢厂应用情况底滤法81:102440最大较大最多因巴法51:(68)15中最大多图拉法2.51:8810中大较多拉萨法15161:(1015)1520较大较大很少123 高炉渣干法粒化余热回收技术干式粒化工艺是在不消耗新水情况下，利用高炉渣与传热介质直接或间接接触进行高炉渣粒化和显热回收的工艺 ，几乎没有有害气体排出，是一种环境友好的新式处理工艺。目前高炉渣干法处理工艺主要有：风淬法、双内冷却转筒粒化法、Merotec 熔渣粒化流化法、机械粒化法、连铸连轧法、化学法等。20世纪70年代国外就开始研究此法，但目前尚无一种真正实现工业化。 3.1风淬法风淬法是利用高速空气将熔渣冲击破碎并回收余热的方法8。日本钢管和三菱重工从1977年开始联合开发了转炉渣风碎粒化余热回收系统（图6），并于1978年在日本钢管福山厂3号炼钢厂建立了处理能力为30t/h实验厂9。之后两家公司于1981年在福山厂建成了最大处理能力为80t/h的商业化工厂10。整个余热回收流程包括预处理、风碎、余热回收、后处理4个处理工序。该流程的工业试验中，总热回收率达到了81.3。图6日本钢管与三菱重工联合开发的转炉钢渣风碎粒化工艺流程图1982年日本新日铁、NKK、川崎、住友、神户和日新制钢6大钢铁公司开展了计划为期6年的高炉熔渣显热综合回收技术研究，目的是在回收高炉渣余热的同时，制造水泥原料等高附加值的炉渣产品。该工艺流程图如图7所示11，熔渣在被风碎后通过多段流化床回收渣粒余热。从余热回收的效果来看，回收的热空气的余热回收效率为62.6%；从渣粒的品质来看，不含渣棉的渣粒玻璃体率为9698%，水泥胶砂的强度测试表明，利用风碎高炉渣得到的炉渣水泥与市售的普通高炉渣水泥具有同等的强度。在大量试验的基础上，研究者针对400Om3级，处理能力为150t/h的炉渣余热回收系统进行了经济性分析，但目前并没有该工艺商业化的报道12。图7日本6大钢铁公司联合开发的高炉渣风碎粒化余热回收流程示意图风淬法在粒化过程中动力消耗很大，风碎与水淬相比冷却速度很慢，为了防止粒化渣在固结之前粘连到设备表面上，就要加大设备的尺寸13。风淬法得到的粒化渣的颗粒直径分布范围较宽，不利于后续处理。3.2旋转滚筒法熔渣粒化工艺NKK双冷却转筒粒化工艺最早由日本钢管公司(NKK)开发，其工艺流程如图8所示11。温度为1500左右的液态高炉渣经渣槽流入位于转鼓 B1 和 B2 之间形成的渣池，转鼓连续转动，通过挡板(A)来控制熔渣的液位，熔渣随转鼓的转动被带出并在转鼓表面成膜，在转鼓内通过一种高沸点有机液体(烷基联苯)来快速冷却附着在转鼓表面的渣膜，随后冷却的玻璃相炉渣由一种脱膜工具从转鼓上剥离落入料斗，得到的成品渣温度约为 900。从转鼓出来有机液体蒸汽经热交换器(C)冷却后通过循环泵(F1)返回冷却转鼓循环使用，回收的热量用于透平蒸汽发电。大型工业试验中，转鼓内热媒介物吸收热量约为熔渣显热的40%，得到成品渣的玻璃化率达到95%8。双冷却转筒粒化工艺的难点在于转鼓的设计和稳定运行、渣膜厚度的控制以及具有高沸点高蒸发潜热的有机溶剂的选择，该工艺因整体热量回收率偏低以及后续处理麻烦而未得到应用。图8 NNK转鼓冷渣器热回收过程20世纪70年代末，日本住友金属和石川岛播磨重工联合开发了旋转滚筒熔渣粒化工艺（图9）11。 将熔渣自由滴落，撞击敷有不浸润性涂层的旋转滚筒表面分散并被甩出粒化。这种工艺不仅节能，且因粒化后渣滴飞溅的距离小而便于捕集渣粒和热量回收。试验中得到的热风温度大于500，整体回收热量可达熔渣总显热的60%以上，水淬渣与高温渣粒的分离效率大于90%，得到成品渣粒度最大为20mm，小于10 mm部分约占95%，经破碎后可代替天然砂用作混凝土细骨料。该工艺的难点在于旋转滚筒表面涂层的选择和介质颗粒与高温渣粒的分离，且热量回收效率偏低，未能实现工业应用。图9 旋转滚筒熔渣粒化工艺3.3机械搅拌法熔渣造粒工艺日本住友金属工业开发了一种连续搅拌法熔渣造粒工艺，采用机械搅拌法将熔渣破碎，其装置示意见图108。将高炉熔渣注入搅拌装置，带有叶片的旋转轴连续搅拌使熔渣冷却破碎，粒化后的高温渣粒随转轴的转动连续地输送到装置的外部，转轴由外部的电机带动，粒化装置通过外部的水套冷却保护。试验中高炉熔渣的平均流量约为30t/h，在1400左右流入，熔渣粒化后约在900从装置中排出，粒化的渣粒大部分在20mm左右，排出后的高温渣粒还持有熔渣热量的50%以上，可再二次回收。该工艺研究证明了利用连续搅拌方式将熔渣干式粒化是可行的。但此法得到的渣粒尺寸大且不均匀，玻璃化程度不高，只能用作铺路材料，产品附加值低且整个工艺本身对熔渣的显热回收效率也很低。图10 住友金属的熔渣造粒装置3.4连铸连轧法工艺连铸连轧法熔渣平板固化工艺是由中国有关技术人员根据 1986 年乌克兰第聂伯罗彼得罗夫斯克冶金学院开发的炉渣干式粒化方案，并参照有色金属连铸连轧工艺，对原工艺进行改造而成，其工艺流程如图11所示14。其工作流程为：由渣罐车运来的熔渣倒入渣池，熔渣从供渣嘴(A)连续流到水冷平辊(B)和水冷网辊(C)，然后进入链式输送机(D)，在运输机下部通入冷空气，渣的热量传给冷空气和膜式水冷壁(E)，冷却后的渣在碎渣机(F)中破碎，软化水经轧辊流入水箱，经给水泵(G)压入省煤器(H)，然后进入汽包(I)，饱和水经循环泵(J)压入膜式水冷壁，加热气化后回到汽包，从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。据报道，该工艺热回收率可达66.5%，具有良好的操作性和可观的投资回报，但其最大困难在于冷却工序的设计，平板式高温渣的透气性严重影响冷空气和水冷壁的换热效率，因而存在很大的缺陷，预测的热回收效率有待于生产性试验的验证。图11 “连铸连轧”法熔渣余热回收工艺3.5 Merotec 熔渣粒化流化工艺Merotec 熔渣粒化工艺最早由德国蒂森钢铁公司设计开发，工艺流程如图12所示15。高炉熔渣直接或通过缓冲罐A间接倒入粒化器B，在粒化器内将熔渣破碎成颗粒状，然后渣粒进入流化床C换热器进行充分换热冷却，再由提升机D运往筛子E，经筛分得到03 mm和大于3mm级别，分别进入渣粒储罐F1和渣粒储罐F2。得到的细颗粒炉渣通过传送装置进入循环渣粒储罐循环操作，用于熔渣的破碎过程，且用来冷却和保护工艺设备。熔渣的热量通过循环细渣粒的吸热、粒化器的空气冷却和流化床换热器得到回收。冷却空气通过风机循环使用，产生的粉尘通过旋风除尘器分离和回收。Merotec熔渣粒化流化工艺，该装置的热量回收率约为 64%，而且属于半急冷或缓冷处理，玻璃化程度不高，产品附加值低且整个工艺本身对熔渣的显热回收效率也很低。图12 Merotec试验装置3.6转杯法转杯法是指利用高速旋转的转杯将倾倒在转杯上的熔渣粒化，然后对高温渣粒进行余热回收的方法8。住友金属和石川岛播磨重工首先于20世纪80年代初采用转杯法对高炉渣进行了粒化；在此之后20世纪80年代中期，英国钢铁公司和诺丁汉大学联合开发了高炉渣转杯风碎粒化余热回收系统，在实验室中得到了平均粒径为2mm，玻璃化率为95的渣粒。在实验室研究的基础上，研究者设计了40t/h的炉渣处理系统（图13）粒化后的高温渣粒首先进入主流化床，该流化床回收热空气16；渣粒离开主流化床后进入副流化床，在副流化床，炉渣余热用来产生饱和水蒸气，余热回收效率在58.8%，热空气出口温度在400600之间。图13高炉渣转杯粒化余热回收装置示意图机械粒化法是由英国Kvaerner Metals 研究发明的，工艺流程如图14所示11。液态高炉渣从渣槽流到罩杯之后被甩出，甩出的颗粒在运行中与下部流化上来的气体相遇，发生对流传热和与内壁辐射传热，使渣粒初步冷却。炉渣在粒化和运行阶段降低 100200 K。之后高炉粒化渣粒打在设备内壁上，壁面所布冷却水管中的冷却水将热量带走。高炉渣反弹回继续下落，通过与流化空气和埋在床层内的换热管道的热交换来进行热回收。此法可使炉渣粒度达2mm 左右，但其设备较复杂。图14 Kvaerner Metals机械粒化法特别需要指出的是，从20世纪90年代后期开始，熔渣转杯粒化余热回收方法重新引起了研究者的注意，日本17-21、澳大利亚22、中国23-27的研究者对该方法再次进行了深入的研究。但目前主要的研究成果还主要停留在转杯结构、转杯转速、粒化效果的小型实验室研究上，对于大型的转杯粒化余热回收装置还有待进一步研究。3.7化学法工艺在转杯粒化得到高温渣粒后，传统的方法是进行气固换热回收高温空气，而日本研究者提出利用炉渣显热作为CH4和H20重整反应的热源28-31：CH4+H2OCO+3H2，H298=206kJ/mol研究者对这种方法的可能性进行了研究，并提出了结合炉渣干式粒化方法的炉渣余热回收系统（图15)。该方法目前还只进行到化学反应在熔渣为热源条件下反应特性的阶段，而结合干法粒化的炉渣余热化学反应回收方法目前还没有试验研究的报道。图15 利用转杯粒化和水蒸气甲烷重整反应回收炉渣余热系统示意图4 高炉渣余热利用技术的发展趋势近年来除了离心粒化技术还有人研究外，其它干式粒化工艺都未见后续报道。日本的熔渣风碎生产试验表明，风淬法的热回收率和粒化渣质量都可满足要求。但是其存在的主要问题是动力消耗大、设备庞大复杂(占地面积大、投资费用高)。风淬法能否继续发展取决于它能否降低能耗、简化设备。除离心粒化外，机械粒化法大都存在着粒化效果差、处理效率低、热回收效果不佳、设备结构复杂、可靠性低等缺点。离心粒化法处理能力大、适应性强、粒化效果好、设备较简单，还能与化学法显热回收技术相结合，它将成为研究开发的重点。传统的物理法热回收的共同特征是以蒸汽或热水的形式回收熔渣显热，再作它用。一是能量转换次数多；二是熔渣所含的高品质能量经过大量介质换热，回收的将是低温低品质能量。温差越大，损就越大(高炉冲渣热水只能用于取暖就是这方面的典型例子)。而目前钢厂二次能源利用的现实是高品质余热资源不足，低品质余热资源过剩。这样，即便以低温烟气(蒸汽)的形式回收了熔渣显热，意义也不大。各种物理法热回收工艺的效率低是制约其工业化的根本原因。理想的高炉渣余热回收工艺应该是在封闭的系统中高效率回收炉渣余热，并且同时实现炉渣产品的高附加值化。达到这两个目标对实现炉渣余热回收工艺商业化运行缺一不可，但两个目标之间存在一定的矛盾性。因此，研究提高熔渣余热回收效率的同时提高炉渣产品附加值，这将是炉渣余热回收研究需要解决的关键问题。5 结论(1)我国是全球最大的钢铁生产国，同时伴随我国高炉冶炼生产排出的含丰富热能的高炉渣数量也是巨大的，目前我国的每年产生2.9亿吨的高炉渣和转炉渣计算，其显热量相当于1740万吨标准煤。我国的钢铁工业“十二五”发展规划提出重点统计钢铁企业平均吨钢综合能耗低于580千克标准煤，如果将这部分热量进行回收，吨钢综合能耗将下降18千克标准煤。(2)目前在我国工业生产中，主要以水淬粒化工艺作为高炉渣的处理工艺，水淬方法处理熔渣的缺点主要三个方面：熔渣余热没有回收、新水消耗量大、冲渣产生的二氧化硫和硫化氢等气态硫化物带来空气污染。(3)干法粒化余热回收技术由于不采用水来进行粒化可有效避免水渣处理工艺的新水消耗量大、熔渣余热没有回收、冲渣产生的二氧化硫和硫化氢等问题。而且一些干式粒化方法也可将高炉渣冷却为玻璃体含量高于90%的成品渣。所以干式粒化方法不仅可以回收大量的余热资源，给企业带来可观的经济效益。(4)离心粒化法不仅有上述干式粒化方法的优点外，离心粒化法相对于其他各种干式粒化方法更有效。单体设备简单、布置紧凑、操作参数少，通过改变转速即可调整粒化程度，可获得尺寸小、球形度好、玻璃化程度高的高附加值成品渣；粒化室内粒化的小颗粒高温渣便于采用流化床等技术回收其中的余热资源；而且处理后的小颗粒高炉渣便于利用。总的来说提高余热回收效率、优化余热利用方式、与其他行业链接开发高附加值的炉渣产品已成为熔渣余热回收技术发展的趋势。参考文献 1 张西鹏，周守航. 高炉渣显热回收前景分析Z. 北京2009. 2 郭廷杰. 贯彻“十二五”发展规划,推进钢铁工业节能减排J. 节能. 2012(2): 4-7. 3 王茂华，汪保平，惠志刚. 高炉渣处理方法J. 鞍钢技术. 2006(2): 1-4, 17. 4 张卫东. 中型高炉图拉法炉渣处理工艺的研究D. 西安建筑科技大学，2006. 5 郭向东，许秋慧. 唐钢2560m3高炉增产降耗实践J. 钢铁. 2002(9): 5-7. 6 李在实，许振兴. 图拉法粒化渣工艺的应用与改进J. 黑龙江冶金.: 21-24. 7 崔宝光，燕月. 因巴法的最新发展与应用J. 设计通讯. 1990(2): 7-10. 8 徐永通，丁毅，蔡漳平，等. 高炉熔渣干式显热回收技术研究进展J. 中国冶金. 2007(9): 1-8. 9 Nishimura E, 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