毕业设计(论文)-粉煤灰浮选脱碳技术研究[管理.docx
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粉煤灰浮选脱碳技术研究
摘要
粉煤灰曾作为燃煤企业的固体废弃物,随着先进关键技术的研发和推广,现在对于粉煤灰的开发利用逐步展开。
粉煤灰的含碳量高,烧失量也高,严重制约粉煤灰的综合利用与商品化。
为了降低粉煤灰中的含碳量和充分利用资源,本文将从粉煤灰的结构、用途等方面来描述粉煤灰的利用现状、研究动态与最新进展,预测粉煤灰综合利用的发展趋势和应用前景,并确定了从粉煤灰中除去未燃烬炭的比较合理的浮选实验工艺。
笔者进行了大胆地尝试,在实验室原有粉煤灰原料的基础上,重新选定粉煤灰实验入选物料,以轻柴油为捕收剂,2#油作起泡剂,采用“一粗一精一扫”浮选流程,可使精选精矿烧失量达到50%以上,扫选尾灰烧失量在5%以下,%,使得达到一定的标准,有一定的市场价值。
关键词:
粉煤灰脱碳浮选
TheTechnologyofRemovingCarbonfromFlyAshbyFlotation
Abstract
Flyashwasusedassolidwastecoalenterprises,withadvancedtechnologydevelopmentandpromotion,nowforthedevelopmentandutilizationofflyashspreadoutstagebystage.Flyashcarboncontentishigh,lossisalsohigh,seriouslyrestrictingthecomprehensiveutilizationofpowderedcoalashandcommercialization.Inordertoreducethecarboncontentinflyashandmakefulluseofresources,thispaperwillfromflyashbystructure,applicationandotheraspectstodescribeashutilizationstatus,researchtrendsandlatestprogressincomprehensiveutilizationofflyash,forecastthedevelopmenttrendandapplicationprospects,anddeterminingtheashremovingunburnedcarbonflotationexperimentaltechnology.Theauthorundertookboldattempt,inthelaboratoryofrawmaterialsonthebasisoforiginalflyash,flyashtoselectedexperimentalselectedmaterial,withlightdieseloilascollector,2#oilasfoamingagent,using"acoarsefinesweep"flotationprocess,canmaketheselectedorelossreachesabove50%,scavengingtailashburninglossamountisin5%thefollowing,tailashyieldofabout%,whichachievedthecertainstandard,haveacertainmarketvalue.
Keywords:
FlyAsh,RemovingCarbon,Flotation
目录
摘要 Ⅰ
Abstract II
第一章绪论 1
课题的提出背景 1
粉煤灰的产生与研究历史渊源 1
粉煤灰的用途及利用存在问题 1
粉煤灰全球形势与背景 3
选题的必要性和意义 4
国内外粉煤灰分选工艺研究概况 6
粉煤灰除炭原理和方法 8
粉煤灰除炭原理 8
粉煤灰除炭方法 8
课题研究主要方法和思路 9
第二章试验前的准备 11
粉煤灰理化性质分析 11
试验用主要仪器 13
相关试验参数的测定方法 13
烧失量测定方法步骤 13
灰分测定方法 14
试验思路及方案 14
小节 15
第三章粉煤灰浮选脱碳试验 16
粉煤灰的粒度特性分析与入选粉煤灰物料的确定 16
浮选药剂的选择与分析 18
捕收剂的选择� 19
起泡剂的选择 19
粗选药剂用量试验与分析 20
捕收剂用量试验 20
起泡剂用量试验 22
矿浆浓度条件试验 23
粗选时间对浮选的影响 25
浮选机充气量对浮选的影响 26
精选试验 27
精选工艺的重新探索 27
精选时间对粉煤灰浮选效果的影响 27
扫选试验 29
小结 31
第四章总结 32
实验最终产品指标和工艺流程 32
技术指标 33
主要创新点 33
感想与展望 34
参考文献 35
附录A 37
附录B 45
致谢 51
第一章绪论
1.1课题的提出背景
1.1.1粉煤灰的产生与研究历史渊源
国内外对粉煤灰的研究,可追溯到1920年以后的电厂大型锅炉革新,那时开始了燃烧煤粉,也就有人开展了这方面的研究。
但真正引起人们重视是在20世纪50年代之后,尤其是70年代中期石油危机之后,许多国家发电厂的燃料结构发生了变化,都转向以煤炭为主要燃料。
随之而来的是大量灰渣的排放,这进一步促使更多的人重视粉煤灰资源综合利用。
于是在一些工业发达国家,也就形成了这样一个粉煤灰综合利用的新兴产业。
例如:
以美国国家灰渣协会为主的一些单位,自1967年以来以连续召开了多届粉煤灰渣利用会议,并在1974年就把粉煤灰列为国家最丰富的第七位固体矿物资源[1,2]。
我国粉煤灰利用起始于20世纪50年代,并于60年代设定了专门机构,开展了这方面的工作。
最初的发展方向是制作建筑制品和建筑材料,但进展较缓慢。
1979年以前的利用率还不及10%。
作为一项重大的经济政策,并提到战略高度,则是在改革开放以后,国家和地方制定了一系列鼓励粉煤灰资源综合利用政策,这有力的推进了粉煤灰的利用,%[3]。
1.1.2粉煤灰的用途及利用存在问题
由于粉煤灰性能稳定、价格低廉,其综合利用主要是在建材、建工、道路、填筑、农业和其他等方面。
在建材方面,主要用作水泥原料、水泥混合料、建筑砌块、加气混凝土制品、烧结粉煤灰砖、烧制陶粒等;在建工方面,主要用于混凝土和砂浆,其中包括大体积混凝土、泵送混凝土、高标号混凝土、低标号混凝土、砌筑砂浆、抹灰砂浆等;在道路建设方面,主要用于路面基层、路堤、路面等;在填筑方面,主要用作回填、水坝填筑、矿井回填等;在农业(种植)方面,主要用于改良土壤、制作农肥、农药载体等。
贾得义等[4]利用焦作电厂产生的粉煤灰对重黏土地进行改良,试种小麦,试验结果显示,施用粉煤灰比不施粉煤灰的小麦产量有明显增加;在一定的施用量范围,施粉煤灰多少与小麦产量呈正相关关系。
在其他方面,主要用于提取有用物质,如提取微珠、炭、铁、铝等,以及利用粉煤灰表面积大、孔隙多、吸附性能好的特点,可处理各种工业污染。
粉煤灰在制备新型材料方面也具备一定用途。
美国学者LuZhe等研究将精细煤粒燃烧后产生的粉煤灰用于制备聚合物复合材料。
在韩国,KimChul-Hwan等将粉煤灰作为一种新的造纸原料来研究,并通过电子显微镜分析粉煤灰提高纸张抗拉强度和内部粘结强度的原理。
就目前有关资料来看,我国对粉煤灰综合利用主要集中在用于烧砖、筑路、做水泥和混凝土的掺合料、选取漂珠、改良土壤等方面,只有少部分用于化工工业和废水处理[5]。
综合以上分析,我国粉煤灰综合利用在传统项目上,如烧砖、筑路、做水泥和混凝土的掺合料等方面会有继续深入发展,并陆续产生新的工艺。
粉煤灰作为一种重要的固体资源,开始是作为一种廉价替代物来使用,后来应用领域逐步向塑料、橡胶填料等附加值较高的的领域转变。
另外,粉煤灰在以下3个方面的综合利用将具有可观的发展前景[6]:
(1)以粉煤灰为原料做吸附材料、絮凝剂等,应用于化工和环保方面。
国内对用粉煤灰制无机絮凝剂的研究虽然已有报道,但工艺设计仍处于摸索阶段,研究才刚起步,还没有实现工业化,目前,在日本和西欧的一些国家利用粉煤灰生产高效絮凝剂现已实现了工业化生产。
(2)矿物质和高附加值产品的提取应用。
粉煤灰中含有Al2O3、Fe2O3、Si2O2、锗(Ge)、镓(Ga)、钒(V)等有用物质。
可借鉴国外相关生产工艺,从粉煤灰中提取这些贵金属产品。
(3)以粉煤灰为回填料,应用于煤矿采空区回填,控制地表沉陷,以粉煤灰为原料制备聚合物复合材料,纤维材料等。
但粉煤灰的综合利用存在以下问题:
(1)粉煤灰综合利用率偏低,我国粉煤灰综合利用率只有30%左右,而国外对粉煤灰的利用率则高达70%~80%。
(2)粉煤灰综合利用途径相对狭窄,国内粉煤灰综合利用主要集中在筑路和建工建材领域,在其它领域使用较少,在化工工业和环保领域的使用也只处于起步阶段。
(3)在综合利用过程中,尚存在对环境的某些负面影响,如贮灰场和运输车的扬尘污染、提取有用物质后废渣的处理、农用过程中重金属积累及建材制品的放射性问题等。
(4)政策落实难,利用工作不尽人意。
许多企业、基层干部及部分领导不知道有关粉煤灰综合利用政策,不关心粉煤灰综合利用政策的宣传和贯彻,领导不力。
粉煤灰浮选脱碳技术的研究是粉煤灰综合利用研究的主要组成部分,目前,国内粉煤灰综合利用尚处于探索和发展阶段,我国粉煤灰综合利用的途径还很单调,与发达国家相比还有较大差距,主要表现在在影响粉煤灰质量的煤燃烧技术、粉煤灰收集与分选技术,以及粉煤灰制品的质量控制体系,比如技术标准、规范、质量检测等方面[7,8]。
所有这些都需引起相关研究、生产人员,不断提高我国粉煤灰资源综合利用的水准,拓宽应用范围。
1.1.3粉煤灰全球形势与背景
粉煤灰排放量惊人,已成工业固体污染之首。
2010年9月15日,国际环保组织绿色和平在北京发布《2010中国粉煤灰调查报告》指出,火力发电产生的粉煤灰排放已经成为中国工业固体废物的最大单一污染源,但这却长期被忽视。
粉煤灰是火力发电的必然产物,是煤炭在发电厂锅炉中燃烧后排放的一种人造火山灰材料,且每消耗4吨煤就会产生1吨粉煤灰。
虽说粉煤灰是电厂的废物,但在建材、热工、筑路、铸造、冶金、化工、环保等传统工业以及高科技领域有着广泛的应用,尤其是在建材行业。
中国的火电装机容量从2002年起呈现出爆炸式的增长,因此,粉煤灰排放也在过去10年内增长了3倍。
绿色和平在报告中指出:
,相当于当年中国城市生活垃圾总量的两倍多,,相当于每两分半钟就倒满一个标准游泳池,或每天一个水立方。
目前,21世纪我国年粉煤灰排放量将达到16亿t,全球粉煤灰的排放量之大,占地之广,已经对环境造成了很大的危害。
当前,人口、资源与环境是各国面临的全球性问题,我国人口众多,资源日益紧张,环境不断恶化,对工业废渣中最大排放量的粉煤灰进行综合利用是一项具有重大经济、环境与社会效益的工作,也是造福于子孙后代的具有长远战略性的课题[9]。
就包头市来讲,目前全市共有4个灰场,累计粉煤灰堆放量为4500万t左右,全部为电厂的湿排灰,碳含量都在14%左右,新排粉煤灰中,老机组仍然采用的是湿式排灰,品质仍然属于碳含量高的Ⅲ级粉煤灰。
新机组多采用煤粉炉燃烧工艺,电除尘干式排灰,碳含量显著降低,一般低于5%,其中Ⅰ级灰占18%,Ⅱ级灰占25%,其余为Ⅲ级灰。
粉煤灰较高的烧失量(烧失量,Lossonignition,缩写为LOI,即将在105~110℃烘干的原料在1000~1100℃灼烧后失去的重量百分比)严重制约了包头粉煤灰的商品化和综合利用。
基于此,包头市已将粉煤灰的综合利用写入市“十一五”科技发展规划并重点实施[10]。
1.2选题的必要性和意义
粉煤灰资源化过程所遇到的主要问题是含碳超过标准。
电厂锅炉在燃用无烟煤和劣质烟煤的情况下,还存在一部分没有完全燃烧,造成粉煤灰中含碳量增高,一般波动在8%~20%的范围内,全国每年从电站粉煤灰中流失数百万吨的煤炭,不但使煤炭资源白白流失,造成极大地浪费,而且由于粉煤灰中含有大量的炭,致使粉煤灰排放量增加,更重要的是由于粉煤灰中含有未燃尽的炭,会造成粉煤灰综合利用困难,影响了粉煤灰资源的开发,不利于环保[11]。
含碳量较高,烧失量也高,这样对混凝土、水泥制品等产品的耐久性影响较大,不适宜直接用于混凝土和水泥制品中,严重制约粉煤灰的综合利用与商品化。
另外碳粒留在砖中,会影响砖的强度和耐久性。
为此,制砖用粉煤灰含碳量一般控制在不大于10%。
为了降低粉煤灰中的含碳量和充分利用资源,须对粉煤灰进行脱碳处理,脱炭好坏成为粉煤灰能否综合利用的关键问题。
目前,粉煤灰综合利用存在如下问题:
①粉煤灰各种成分都是可以单独利用的资源或能源财富,但由于建筑行业对选矿不了解,目前利用的灰大部分为原灰,致使原灰中各种有用的成分互相混杂,不但发挥不出各自的作用,而且互相危害与互相影响。
②由于粉煤灰各种成分的混杂,使粉煤灰用量比例很小,一般低于30%,从而限制了粉煤灰的利用率。
为了解决这些问题,需要对粉煤灰分选后进行综合利用研究[12]。
各种产品对粉煤灰中的含碳量都有一定的要求。
根据GB1596-1991《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》,水泥混合材用粉煤灰烧失量≤5%为Ⅰ级灰,≤8%为Ⅱ级灰;混凝土掺合料用粉煤灰烧失量≤5%为Ⅰ级灰,≦8%为Ⅱ级灰,≤15%为Ⅲ级灰;根据JC409-1991《硅酸盐建筑制品粉煤灰》,烧失量≤7%为Ⅰ级灰,≤12%为Ⅱ级灰,≤15%为Ⅲ级灰[13]。
粉煤灰露天堆放,刮风天气灰尘会污染空气,下雨天气渗水污染地下水。
根据国内外试验研究发现,粉煤灰堆放的地方地下水都受到了不同程度的污染,比较明显的是使pH值升高,有毒有害的铬、砷等元家含量增加。
再加上粉煤灰贮灰场大多位于江、河、湖及城市水源保护区域,水源保护问题也十分迫切[14]。
尽管粉煤灰在各领域的应用中存在着明显的缺点和不足,但随着粉煤灰应用研究的逐渐扩展与深入,将会不断的克服这些缺点,实现大规模的使用。
可以预见在不久的将来,粉煤灰将从开始的供求远大于需求转化为供求基本平衡,减少粉煤灰占据的耕地。
由此可见,粉煤灰综合利用不论是从节约土地、保护环境的基本国策角度,还是从节约用水、坚持可持续发展战略的角度,都是十分必要的,都具有现时的和长远的意义。
通过浮选脱碳技术,可将粉煤灰资源化,将“非经济储量”的大量固体废弃物粉煤灰划归“经济储量”,得到富集炭、中间产物和尾灰三种产品,该三种产品均可以综合利用,可分别用于建材与活性炭行业,达到变废为宝,化害为利的目的。
粉煤灰浮选脱碳的研究,使粉煤灰商品化,对减少排土占地和减轻对生态环境的破坏有重要的作用,从可持续发展战略的角度,也都是十分必要的,具有现实的和长远的意义。
也可以对有关环保部门提供技术支持和参考,具有广泛的应用及推广价值。
1.3国内外粉煤灰分选工艺研究概况
目前世界各国主要采用浮选法脱碳,燃烧法、电选法仍处于实验室与半工业试验阶段。
粉煤灰的分选按分选介质的不同,目前可分为以空气为介质的干法分选工艺(一般适用于干法排灰的电厂)和以水为介质的湿法分选工艺(一般适用于湿法排灰的电厂),从分选效果来看湿法分选工艺优于干法分选工艺[15]。
加强粉煤灰的综合利用粉煤灰中含有多种可利用的元素,这些元素的回收都要用湿法冶金的技术(即湿式处理);而浮选—冶金技术组合,可为这种利用提供最佳工艺。
国内长沙矿冶研究院、北京石景山电厂、株洲电厂、北京科技大学(原北京钢铁学院)矿业研究所、核工业部北京第五研究所等单位都不同程度地开展了粉煤灰浮选脱碳方法和工艺的研究。
长沙矿冶研究院在对木安电厂粉煤灰性质分析的基础,经过“一粗一精—扫”浮选流程,可得到可燃体为85%以上的高级精炭,用来制造活性炭。
脱炭后的后灰的可燃物含量由原灰的36%降到5%左右。
同时采用浮选一脱泥流程,得到产率为30%、微珠纯度达94%的高档微珠及一定数量的中、低档微珠。
北京科技大学(原北京钢铁学院)对栋洲电厂在对本厂粉煤灰进行干法电选脱炭试验的同时,还利用粉煤灰与炭粒表面性质的差异对水膜除尘器收集的粉煤灰进行了湿法浮选脱炭的试验,获得了发热量23023N/k以上的精炭[16]。
其工艺流程见图1-1。
图1-1株洲电厂浮选脱碳工艺流程
北京石景山电厂采用漂洗一磁选一分级工艺流程处理本厂粉煤灰得到了纯度分别为98%、95%、86%的厚壁微珠,%。
北京石景山电厂粉煤灰研究表明:
在选炭和微珠之前,采用常规磁选设备进行磁选,再经摇床精选,可得到纯度为96%、84%的高、中档磁珠产品。
近年来,浮选柱分选技术取得了重大突破,在处理极细物料方面,更是效果突出,于是浮选柱在产业化方面取得了巨大进展,采用浮选机和旋流---静态微泡浮选柱来进行粉煤灰的浮选脱碳研究。
1.4粉煤灰除炭原理和方法
1.4.1粉煤灰除炭原理
粉煤灰资源化过程所遇到的主要问题是碳含量超标,因此,脱炭好坏成为粉煤灰能否综合利用的关键问题。
这样就能回收未燃尽的炭粒,更重要的是这些炭大多呈海绵状或蜂窝状,疏松多孔,亲油疏水,具有良好的吸附活性,可以用于生产活性炭。
炭粒表面疏水亲气,容易与气泡附着上浮,这同粉煤灰中的硅酸盐表面具有较强的润湿性有很大的差异,利用这个差异采用浮选易分离出炭来。
浮选法就是根据粉煤灰中炭粒与其他矿物表面润湿性差异,通过加入捕收剂和起泡剂等将炭粒呈泡沫层分离出来的工艺方法。
相关研究证明,粉煤灰中炭粒的表面润湿性和可浮性与煤炭类似,其接触角在60°左右,而粉煤灰中其他颗粒的接触角较小,只有10°左右[17]。
因此,在泡沫浮选过程中,由于炭粒具有较大的接触角,故能粘附于气泡表面浮出灰浆液面,而粉煤灰中的其他颗粒接触角较小,不能粘附于气泡表面而仍然留在灰浆中。
一方面,产生粉煤灰的原为无烟煤,从各种牌号煤炭的接触角数据可看到,炼焦煤、肥煤、瘦煤的接触角均大于80°,具有最好的可浮性,而无烟煤的接触角仅为73°,可浮性较差;另一方面,煤灰在水中浸泡和在自然界风化过程中所产生的氧化作用使煤粒表面负电性增加,从而增强了它表面的亲水性。
这些因素削弱了未燃尽炭粒和尾灰之间可浮性的差别,给浮选法回收炭带来了一定难度,但选择优良的浮选药剂来改善和强化浮选过程,在浮选药剂的作用下,这种润湿性差别还是可以增大,从而实现炭粒与其他颗粒有效地分离[18]。
1.4.2粉煤灰除炭方法
当今世界上降低粉煤灰炭含量的方法主要有2种:
①排灰前降低炭含量,即进行锅炉改造以提高煤粉燃烧效率;②对高炭粉煤灰采用一定工艺和方法,将其中未燃尽炭除掉一部分。
主要实用技术有:
燃烧法、电选和浮选法[19]。
目前粉煤灰浮选工艺从煤炭一段浮选工艺发展而成。
如甘肃白银公司动力厂原灰含炭量平均为35%左右,经浮选后含炭量降到5%以下[20]。
干选法在实际应用过程中虽具有工艺简单、生产成本低廉等优点,但几十年来,我国堆放的粉煤灰,多数是用浮选法来处理的,因此,预计浮选法在粉煤灰的分选中还将发挥应有的作用。
1.5课题研究主要方法和思路
本粉煤灰浮选脱碳技术研究的课题,利用查阅资料、理论分析、实验室研究等手段,并运用矿石学基础、筛分分析法、碎矿与磨矿技术、固体物料分选学、浮游选矿、实验研究方法等基础学科知识,通过实验并结合前人研究成果,从分析原料粉煤灰浮选特征入手,以浮选药剂、充气量、浓度等基本浮选工艺条件和浮选流程为研究对象,全面论证粉煤灰浮选脱碳技术方案的可行性,提出有效实施方案。
(1)总结目前国内外粉煤灰利用的现状、技术途径和粉煤灰浮选脱碳的研究现状;
(2)明确粉煤灰的产生机理,了解矿物组成、化学成分等粉煤灰的理化特性;
(3)根据理化特性分析结果,重新选取了入选粉煤灰物料,初步确定可行性技术方案----粉煤灰浮选脱碳,为其下一步的研究提供技术依据;
(4)粉煤灰浮选脱碳技术进行脱碳实验,确定出比较合理的的工艺流程和药剂制度,为其商业化应用做好铺垫。
图1-2实验技术思路
第二章试验前的准备
2.1粉煤灰理化性质分析
粉煤灰是火力发电的必然产物,是煤炭在发电厂锅炉中燃烧后排放的一种人造火山灰材料,每消耗4吨煤就会产生1吨粉煤灰。
粉煤灰中未燃尽的碳粒,一般聚集在比较粗的粉煤灰颗粒中,呈多孔状居多,呈碎屑状次之。
碎屑状碳粒基本上未燃烧,而保留原煤粉的形状。
粉煤灰的结构是在煤粉燃烧和排出过程中形成的,比较复杂。
在显微镜下观察,粉煤灰是晶体、玻璃体及少量未燃炭组成的一个复合结构的混合体。
混合体中这三者的比例随着煤燃烧所选用的技术及操作手法不同而不同。
其中结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等;玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃球体等;未燃炭多呈疏松多孔形式。
由于粉煤灰经过煤炭高温燃烧,部分晶体熔融组合,是一种多种颗粒组成的混合物,颜色从乳白色到灰黑色不同,主要由玻璃微珠、海绵状玻璃体、石英、氧化铁、碳粒及硫酸盐组成。
密度由于组成成分不同而相差很大,一般来说高钙粉煤灰密度较高,~2.8g/cm3,低钙粉煤灰密度较小,~。
吸附性由于玻璃微珠含量较大而差于沸石、硅藻土等常用非金属矿物吸附剂。
我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为:
SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等,此外还有P2O5等。
不同地区、不同种类的粉煤灰中矿物成分差异较大,这种差异使得不同的粉煤灰的使用效果、资源化程度差异比较大。
JianZhang等曾对我国粉煤灰化学成分进行测定和主要元素组成[21],如表2-1和表2-2所示。
表2-1粉煤灰的主要化学成分
成分
含量/%
成分
含量/%
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
Fe2O3
SO3
表2-2粉煤灰的主要元素组成
元素
含量/%
元素
含量/%
O
~
Fe
~
Si
~
Ca
~
Al
~
K
~
粉煤灰的物理性质中,细度和粒度是比较重要的项目。
它直接影响着粉煤灰的其他性质,粉煤灰越细,细粉占的比重越大,其活性也越大。
粉煤灰的细度影响早期水化反应,而化学成分影响后期的反应,影响其制品强度。
2.2试验用主要仪器
表2-3试验用主要仪器与参数
试验仪器
仪器参数
XFD系列单槽浮选机
L,叶轮转速2590r/min,叶轮直径45mm,刮板转速30r/min,给矿粒度≤,功率90w。
XSB-70B标准振动筛
筛子直径200mm,摇动次数221次/分,振击次数147次/分,振幅5mm。
箱式电阻炉
额定温度1200℃,额定电压220V,炉膛尺寸:
300×
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