Современные методы утилизации энергосберегающих ртутьсодержащих люминисцентных ламп

Среди актуальных проблем экологии важное место занимают вопросы, связанные с загрязнением окружающей среды ртутью и ее соединениями. Это обусловлено, с одной стороны, широким использованием и периодическим выходом из строя разнообразных ртутьсодержащих изделия (люминесцентных и ртутных ламп), например на предприятиях, в быту, транспорте, учебных заведениях и т. д. Проблема предотвращения загрязнения ртутью окружающей среды во многом определяется эффективность технологий, которые используются для обезвреживания и переработки ртутьсодержащих отходов.

Руководство России придает большое значение проблеме энергоемкости и энергосбережения во всех областях государственного хозяйствования: промышленности, сфере услуг, жилищном секторе.

В настоящее время наблюдается рост использования ртутных ламп в производстве и быту, который обусловлен исключительной особенностью ртутных источников света: их световая отдача достигает 100 лм/Вт при низкой рабочей температуре и сроке службы до 40 тысяч часов. Эти значения в десятки раз превышают соответствующие параметры ламп накаливания. Учитывая постоянный рост стоимости мировых энергоресурсов, легко понять, что в ближайшее время альтернативы люминесцентным лампам нет. Поэтому они также называются энергосберегающими.

Энергосберегающая ртутьсодержащая люминесцентная лампа (ЭСРСЛ) – газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения электрического разряда. [1]

Основной частью ламп является ртуть (свечение создается от электрического разряда в парах металла).

Различают две разновидности ртутных ламп:

- лампы низкого давления (парциальное давление паров ртути не более 102Па) – трубчатые люминесцентные лампы, содержание ртути в лампе ~60мг;

- лампы высокого давления (105-106 Па) и сверхвысокого давления (более 106 Па) – лампы типа ДРЛ, содержание ртути – до 120мг.

В состав люминесцентной лампы входит стеклянная колба (обычно покрыта слоем люминофора – вещества, способного светиться, под действием внешних факторов, в частности под воздействием УФ излучения электрического разряда). При производстве ламп колбы подвергаются термо-вакуумной обработке; в колбу закачивается инертный газ при давлении 2,5мм ртутного столба, насыщенный парами ртути.

С торцов колба закрыта алюминиевыми цоколями. Внутри лампы находятся вольфрамовые спирали, медно-никелевые выводы и латунные штырьки. Общее содержание металлов (включая оловянно-свинцовый припой и свинцовое стекло) – 2-4%.

Из органических компонентов в состав ламп входят мастика и гетинакс (слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной синтетической смолой; обладает высокими электроизоляционными и механическими свойствами).

Ртутные лампы относят к отходам первого класса опасности и самостоятельная утилизация таких источников света не допустима. В зависимости от мощности данный вид ламп содержат до 20-50 мг ртути, поэтому самостоятельная утилизация таких источников света не желательно. Не допускается временное хранение ртутных ламп под открытым небом, а так же в местах, где к ним могут иметь доступ дети, хранение ламп без тары или в мягких картонных коробках навалом, хранение ламп на грунтовой поверхности. [3]

Несмотря на огромное количество имеющихся в литературе сведений о разнообразных способах утилизации люминесцентных ламп, существует лишь два принципиально различающихся метода – химический и термический. Все остальные методы являются вариантами исполнения двух основных. В соответствии с ГОСТ Р 52105-2003 "Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Классификация и методы переработки ртутьсодержащих отходов. Основные положения" методы переработки РСО делятся на:

- амальгамирование;

- высокотемпературный обжиг;

- термические методы;

- химико-металлургические методы.

При амальгамировании жидкую ртуть превращают в полутвердые амальгамы с помощью неорганических материалов (титан, медь, цинк, серебро, золото). В результате снижается выделение паров ртути. Широкого распространения данный метод не получил. Высокотемпературный обжиг заключается в обжиге отходов, содержащих ртуть и органические компоненты (с очисткой отходящих газов от паров ртути). Термические методы заключаются в прогревании или прокаливании отходов в установке, приспособленной для испарения ртути и последующей конденсации паров ртути, либо в прямой дистилляции ртути с целью ее регенерации.

Метод «сухой» химической демеркуризации

Сущность метода заключается в тонком измельчении и многократном перетирании осколков люминесцентной лампы стальными валками в герметичной дробилке в присутствии избытка тонкодисперсной серы при повышенной температуре. В результате процесса получается тонкоизмельченная смесь стеклобоя, люминофора, серы и сульфида ртути. Получаемый отход не содержит свободной ртути, относится к 4 классу опасности и может быть захоронен на полигоне ТБО. В РФ известно, по крайней мере, об одной такой установке, исправно работавшей в течение нескольких лет в начале 90-х годов.

Метод «мокрой» химической демеркуризации (иногда называемый «гидрометаллургическим»)

Сущность метода заключается в обработке раздробленных люминесцентных ламп химическими демеркуризаторами с целью перевода ртути в трудно растворимые соединения, как правило, сульфид ртути. В качестве демеркуризатора чаще всего используются растворы полисульфида натрия или кальция.

Вариантом метода является проведение процесса в специально доработанной бетономешалке, при этом помимо растворов демеркуризаторов в реакционную массу добавляется также цемент. Основным отходом такого процесса являются затвердевшие массы, содержащие связанную ртуть в виде сульфида. В РФ известно, по крайней мере, о нескольких таких установках, работавших в разные годы в нескольких регионах. В связи с отрицательным заключением экологической экспертизы такие установки больше не применяются.

Метод термической демеркуризации

Метод основан на дистилляции ртути из смеси стеклянного и металлического лома при температуре выше температуры кипения ртути (357°С) при атмосферном давлении (либо в условиях незначительного разрежения) с последующей конденсацией ее паров в охлаждаемой ловушке. Метод положен в основу установок типа УДЛ (ВНИИВМР) и типа УДМ, УДМП (НПК «Меркурий», Чебоксары).

Метод термовакуумно-криогенной демеркуризации

Сущность метода заключается в нагревании измельченных люминесцентных ламп в условиях глубокого вакуума с последующим вымораживанием испарившейся ртути в криогенной ловушке, охлаждаемой жидким азотом. Применение глубокого вакуума позволяет с одной стороны понизить рабочую температуру процесса, с другой стороны – увеличить интенсивность испарения ртути. Метод реализован в малогабаритных установках типа УРЛ-2М (ФИД - Дубна) и является в настоящее время наиболее популярным в России.

Метод вибропневматического разделения

Метод основан на вибропневматическом разделении ртутных ламп на главные составляющие: стекло, металлические цоколи и ртутьсодержащий люминофор. Очищенные от ртути стеклобой и металлические цоколи (алюминиевые и стальные), а также ртутьсодержащий люминофор используются как вторичное сырье. Данный метод нельзя считать самостоятельным методом демеркуризации, так как он приводит к возникновению ртутьсодержащего отхода (люминофора), требующего в свою очередь термической обработки для выделения из него ртути. Однако данный метод используется достаточно широко; в частности, работая в паре с термической установкой, вибросепаратор позволяет резко улучшить общую технологичность и экологичность процесса, за счет использования термической установки в оптимальном режиме.

Установка вибропневматической демеркуризации

«Экотром-2»

Принцип действия так называемой «холодной и сухой» вибропневматической установки «Экотром-2» основан на разделении ртутных ламп на главные составляющие: стекло, металлические цоколи и ртутьсодержащий люминофор. Очищенные от ртути стеклобой и металлические цоколи (алюминиевые и стальные) используются как вторичное сырье. Люминофор также является сырьем для получения ртути на специализированных предприятиях (например, на ртутном руднике ЗАО НПП «Кубаньцветмет») или на малогабаритных установках типа «УРЛ-2М» производства «ФИД-ДУБНА».

Установка состоит из двух основных блоков: устройства разделения ламп, состоящего из узла загрузки, пневмо-вибрационного сепаратора с дробилкой, циклона и системы очистки, включающей в себя фильтр рукавный, адсорбер и газодувку с компрессором. Компрессор создает в установке разряжение по всему тракту с 5-8 кПа (в зоне загрузки ламп) до 19-23 кПа перед газодувкой, что обеспечивает безопасность работы на установке, так как исключаются пылевоздушные выбросы в производственное помещение.

Переработка ртутных ламп на установке «Экотром-2» проводится следующим образом. Доставленные ртутные лампы подаются в узел загрузки. За счет высокого разряжения в пневмо-вибрационном сепараторе лампы одна за другой непрерывно подаются в ускорительную трубу, попадают в дробилку и измельчаются до крупности стекла до 8 мм. Цоколи отделяются от стекла на вибрирующей решетке и удаляются в сборник – технологический контейнер. Заполненный цоколями технологический контейнер направляется в демеркуризационно-отжиговую электрическую печь, газовые выбросы из которой поступают в систему очистки. В результате термической обработки цоколи полностью очищаются от остаточных загрязнений ртутью. Доочистка цоколей от ртути может быть осуществлена также на установке «УРЛ-2М».

Отделение люминофора – главного носителя ртути, от стекла осуществляется за счет выдувания его в противоточно движущейся системе «стеклобой-воздух» в условиях вибрации. Очищенное от люминофора стекло поступает в бункер-накопитель. Конструкция пневмо-вибрационного сепаратора с дробилкой обеспечивает в процессе работы очистку стекла от ртути до величин значительно меньших ПДК ртути в почве. Основная масса люминофора улавливается в циклоне и попадает в сборник люминофора (представляющий собой транспортную металлическую бочку с полиэтиленовым мешком-вкладышем и специальной крышкой). Остальные 3-5% люминофора осаждаются в приемнике рукавного фильтра и в дальнейшем также упаковываются в транспортные металлические бочки.

Воздушный поток последовательно очищается от люминофора в циклоне, рукавном фильтре и адсорбере. Очистка воздуха от паров ртути происходит в адсорбере до содержания ртути в воздухе менее 0,0001 мг/м3. При превышении содержания ртути значения ПДК в выбросах в атмосферу производится замена отработанного активированного угля в адсорберах.

Вместе с люминофором в металлические бочки с полиэтиленовым вкладышем упаковывается отработанный активированный уголь, а также загрязненная обтирочная ветошь. Собранные таким образом концентрированные ртутьсодержащие компоненты отправляются на дальнейшую термическую переработку на установках «УРЛ-2М».

В одном из вариантов установки получаемый ртутьсодержащий люминофор обезвреживается путем сульфидирования и минерализации в растворе жидкого демеркуризатора с получением продукта IV класса опасности. Следует отметить, что по последним данным, ООО НПП «Экотром» осуществляет обезвреживание ртутьсодержащего люминофора без извлечения ртути. По мнению руководства предприятия, после утилизации ламп остается ничтожное количество ртути, поэтому ее переводят в безопасное «твердое» состояние и захоранивают на полигонах.

Установка термовакуумно - криогенной демеркуризации УРЛ-2М

Установка «УРЛ-2М» предназначена для термической демеркуризации люминесцентных ламп всех типов, а также горелок ртутных ламп высокого давления типа ДРЛ и энергосберегающих ламп (ЭСЛ).

Принцип действия установки «УРЛ-2М» основан на сильной зависимости давления насыщенного пара ртути от температуры. Обрабатываемые лампы разрушаются в камере установки, нагреваются до температуры быстрого испарения ртути, а пары ртути откачиваются вакуумной системой установки через низкотемпературную ловушку (НТЛ), на поверхности которой происходит конденсация ртути, стекающей в сборник в виде жидкого металла после размораживания ловушки.

Конструктивно установка УРЛ-2м выполнена в виде демеркуризационной камеры, шарнирно закрепленной на платформе. Камера снабжена крышкой , электронагревателем и теплоизолятором. На камере смонтировано устройство 6 для механического разрушения люминесцентных ламп. Для разрушения горелок ламп типа ДРЛ используется съемная мельница, монтируемая на фланце камеры. В режиме демеркуризации люминесцентных ламп фланец закрыт заглушкой. Система вакуумной откачки камеры образована высоковакуумным паромасляным насосом и механическим форвакуумным насосом. Откачка камеры на вакуум осуществляется через НТЛ со сборником металлической ртути.

Установка снабжена силовым электрическим шкафом и пультом управления. Комплект электрических схем установки входит в комплект технической документации, поставляемой с установкой. Рукоятка используется для манипуляций с камерой при выгрузке стекло боя.

Сортировка, сбор и полная утилизация всех отходов переработки ламп (стекла, люминофора, алюминия, вольфрама) на данной установке не предусмотрена. Установка может использоваться также для демеркуризации содержащих ртуть отходов промышленного производства: вышедших из строя приборов с ртутным наполнением (термометров, игнитронов, и пр.) а также загрязненных ртутью строительных материалов (штукатурки), почв и содержащих ртуть золотых шлихов и пород.

Конструкция установки позволяет использовать ее в передвижном (мобильном) варианте на шасси грузового автомобиля. К основным недостаткам оборудования следует отнести цикличность технологического процесса демеркуризации, обусловленную необходимостью периодической перезагрузки камеры установки обрабатываемыми лампами и связанную с этим сравнительно невысокую производительность. Необходимость перезагрузки камеры установки является основным источником залповых выбросов ртутных паров в атмосферу технологического помещения, несмотря на их допустимый уровень.

Установка термической демеркуризации «УДМ-3000»

Установка для демеркуризации ртутьсодержащих ламп (модульная) типа УДМ предназначена для обезвреживания люминесцентных ламп и горелок ламп ДРЛ.

Процесс демеркуризации отработанных ртутных ламп состоит из возгонки ртути из предварительно раздробленных ламп, последующей конденсации паров ртути и удалении продуктов переработки.

Отработанные лампы поступают на установку в транспортном контейнере, который с помощью кран-балки ставится на технологический модуль. Открывается ручной клапан, создается разрежение, открывается крышка контейнера и лампы поштучно подаются дозирующим устройством в дробилку, которая обеспечивает дробление ламп до крупности стекла в 30мм.

Раздробленные лампы шнеком дробилки подаются в шнековую печь на термообработку. Нагрев рабочего пространства до температуры 350-390°С производится с помощью электронагревателей печи. Стеклобой при непрерывном перемешивании перемещается к месту выгрузки в течение 15-20 мин. За это время при указанной температуре ртуть переходит в газообразное состояние и уносится потоком технологических газов, содержащих, кроме паров ртути, органические соединения, образующиеся в печи при сгорании цоколевой мастики и изоляционных прокладок ламп и, захваченный потоком газа, люминофор. Из печи технологический газ поступает в фильтр-дожигатель, конструкция которого обеспечивает сгорание органических соединений, находящихся в газовой фазе, до СО2 и Н2О при контакте газа с поверхностью электронагревателей при температуре 800900°С.

Затем технологический газ направляется в конденсатор, обеспечивающий охлаждение газа до температуры 3540°С и конденсацию основной части ртути. Конденсированная ртуть с примесью некоторого количества продуктов уноса (ступпа) является конечным продуктом переработки и содержит 70% Нg. Из конденсатора ступпа выгружается в герметичную тару, маркируется и отправляется на ртутный комбинат.

После осаждения основной части ртути в конденсаторе технологический газ поступает в адсорбер, где происходит поглощение ртути на химическом поглотителе. Очищенный от ртути технологический газ, содержащий не более 0,01 мг/м3, попадает в фильтровентиляционный модуль, где разбавляется, очищается до концентрации менее 0,0003 мг/м3 и выбрасывается в атмосферу.

Демеркуризированный стеклобой, содержащий не более 2,1 мг/кг ртути, является конечным продуктом. Он выгружается из печи и по мере накопления вывозится из цеха.

По мере поглощения ртути сорбент насыщается ею, и, когда содержание ртути достигает 10-20%, поглотитель выгружается из адсорбера.

Вся установка демеркуризации ртутных ламп герметизирована. Так как пары ртути представляют опасность для организма человека, для исключения возможности проникновения ртути в окружающую среду в процессе демеркуризации ртутных ламп вся установка должна находиться под постоянным разрежением не менее 10 Па. Это разрежение обеспечивается на всех стадиях процесса струйным насосом.

В процессе термообработки должна поддерживаться температура не более 400500°С, достаточная для обеспечения быстрого перехода ртути в газообразную фазу. При этой температуре ртуть практически полностью испаряется из стеклобоя за 15 мин.

В процессе демеркуризации ртутных ламп технологические газы, содержащие ртуть, очищаются от паров ртути при прохождении через слой поглощающего ртуть сорбента, изготавливаемого на основе определенных марок микропористых гранулированных модифицированных активированных углей (АУ).

Ртуть, выделенная из отработанных ламп в процессе демеркуризации, практически полностью переходит в два продукта: ступпу и сорбент, которые являются конечными продуктами переработки. Ступпа представляет собой смесь металлической ртути с некоторыми продуктами уноса (порошкообразное стекло, люминофор). Содержание ртути в ступпе может достигать 70 масс %. В соответствии с ГОСТ 1639-78 «Лом и отходы цветных металлов и сплавов» (раздел 3.5.10) эти продукты процесса демеркуризации относятся к классу "Е" - "Отходы ртутьсодержащие твердые", ступпа - 1 сорт. Ступпа отправляется на ртутный комбинат для переработки.

После возгонки ртути и сжигания органических составляющих дробленное стекло и металлы, входящие в конструкцию ртутьсодержащих ламп, переходят в демеркуризированный стеклобой. Демеркуризированный стеклобой содержит в среднем 96-97% стекла, 3% люминофора, 1% цветных металлов, менее 0,0001 % ртути, т.е. содержание ртути в нем ниже предельно допустимой концентрации ртути в почвах. Демеркуризированный стеклобой вывозится на свалку, либо используется как добавка при изготовлении таких строительных материалов, как керамзитобетонные блоки.

Вывод: анализ современных разработок в области утилизации отходов ртути показывает появление все новых вариантов решений, основной задачей которых становится не только полная утилизация отработанного материала, но и экологичность технологии.