СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ РТУТЬСОДЕРЖАЩИХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Российский патент 2006 года по МПК C09K11/01 C22B43/00 H01J9/50 

Изобретение относится к способам утилизации токсичных отходов, утилизации ртутьсодержащих приборов и отходов, преимущественно к способам утилизации ртутьсодержащих люминесцентных ламп, способам демеркуризации.

Известен способ (1. Трахтенберг И.М., Коршун М.Н. Ртуть и ее соединения в окружающей среде. Киев: Выща школа, 1990 г. 2. Пугачевич П.П. Техника работы со ртутью в лабораторных условиях. М.: Гостехиздат, 1961 г. 142 с. 3. Гамаюнов С.Н. Патент РФ №2052527 Способ демеркуризации люминесцентных ламп) демеркуризации ртутных ламп, включающий измельчение, промывку водой, обработку химическими реагентами, которые переводят ртуть в соединения с низким давлением паров. Сами соединения остаются, как правило, в составе отходов. Такое решение вопроса является неокончательным. Кроме того, возникает проблема очистки от соединений ртути воды, используемой для промывания. Соединения ртути, так же как и ртуть, являются веществами повышенной опасности. Такой способ демеркуризации не возвращает ртуть в производство, а оставляет в отходах.

Известен способ термической демеркуризации загрязненых ртутью материалов (4. Альперт В.А., Пикин А.И. Патент РФ №1838440 Способ термической демеркуризации загрязненных ртутью материалов и устройство для его осуществления) включающий разрушение ламп, нагрев материалов в герметичной камере, вакуумную дистилляцию паров ртути, улавливание паров ртути в низкотемпературной ловушке. В этом способе металлическая ртуть собирается в низкотемпературной ловушке и ее можно после очистки вернуть в производство. Такой цикл оборота ртути выглядит наиболее целесообразным. Способ реализован в установке УРЛ-2М. Однако в реализации у этого способа есть недостатки, которые мешают в полной мере использовать достоинства метода: 1. Вакуумная технология не приспособлена к переработке грязных, битых ламп, к переработке влажных отходов, к переработке отходов с содержанием пластмасс, так как вакуумная система выходит из строя как от воды, так и при нагреве пластмасс, и от других веществ, компоненты которых засоряют вакуумную систему. 2. Вакуумная технология рекомендует нагревания до температур не более 170°С, выше которых компоненты текстолита и компаундов засоряют вакуумную систему, а наиболее устойчивые соединения ртути, в частности киноварь, каломель, сулема и др., не разлагаются, и ртуть не испаряется целиком из демеркуризуемых материалов. Кроме того, производительность такой технологии и оборудования ограничена, технология энергоемка, требует для реализации большое количество электроэнергии, применения дорогостоящего жидкого азота. Такой способ имеет значительные удельные затраты на утилизацию.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ утилизации ртутьсодержащих отходов (5. Н.В.Косорукова и Е.П.Янин Утилизация отходов ртутьсодержащих изделий: состояние и проблемы. В журнале «Светотехника», 2002 г., № 3, стр.25-29), преимущественно люминесцентных ламп, заключающийся в их разрушении, разделении в потоке воздуха с использованием вибрации на стеклобой, алюминиевые цоколи, ртутьсодержащий люминофор, который помещают в герметичные полиэтиленовые мешки, засыпают цементом, демеркуризирующим раствором (частично переводят ртуть в соединения) и транспортируют к месту переработки. Такой метод утилизации производителен, экономически выгоден, позволяет возвратить в производство алюминиевые цоколи и стеклобой, однако ртуть в данном способе не выделяется из отходов и представляет опасность при ее дальнейшем хранении в составе отходов и транспортировке.

Предлагается способ утилизации ртутьсодержащих люминесцентных ламп, заключающийся в их разрушении, разделении на стеклобой, цоколи, ртутьсодержащий люминофор в потоке воздуха с использованием вибрации, отличающийся тем, что поток воздуха создают разрежением 100-10000 Па, используют вибрацию в диапазоне 1...10000 Гц, ртутьсодержащий материал, измельченный до размеров не более 1 мм, нагревают в герметичном объеме до температур в диапазоне 600-900°С, выдерживая при температуре 600-700°С не менее 30 минут, пары ртути конденсируют в охлаждаемой ловушке и при проведении всех процессов обеспечивают двойную герметизацию.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемое техническое решение (совокупность операций переработки в рекомендуемых технологических режимах) позволяет провести полную утилизацию ртутьсодержащих отходов, приборов, преимущественно люминесцентных ламп на металлическую ртуть, цветной металл, стекольное сырье и нейтральный строительный материал. Предлагаемая технология имеет оптимальные технико-экономические параметры.

Проведение разделения компонентов в токе воздуха с перепадом давлений 100-10000 паскалей обеспечивает отделение летучей пылевой фракции от твердых компонентов люминесцентных ламп, стекла и металлических цоколей. При перепаде давлений менее 1 мм ртутного столба воздушный поток не будет уносить ртутьсодержащий люминофор, а создание разрежения более 1/10 атмосферы нецелесообразно из за увеличения мощности систем вентиляции и пылеулавливания и очистки воздуха. В случае разрежения более 0,1 атм (10000 Па) вместе с ртутьсодержащим люминофором будет уносится большое количество стекла, не содержащего внутри себя ртуть. Результат достигается в пределах указанных перепадов давлений и отличается техническими характеристиками уноса пыли. В принципе технология будет работать и при больших перепадах давлений, но увеличится расход электроэнергии и в фильтры будет попадать большее количество стеклоотходов, которые не содержат сами по себе ртути.

Соотношение уноса ртутьсодержащего люминофора и стеклобоя в составе уносимого воздушным потоком материала.

Таблица 1Величина перепада давлений10 Па100 Па1000 Па10000 Па20000 ПаСоотношение массы люминофора и стеклобоя 90%/10% 5%/95%1%/99%ПримечаниеРтутьсодержащий материал не уноситсяУносится 80% всей ртутиУносится 93% от всей ртутиУносится более 99% От всей ртути.Вместе с люминофоном уносится большая часть стеклобоя

Из таблицы видно, что при малых давлениях разделения стеклобоя и люминофора не происходит, так как и люминофор и стеклобой остаются на месте. И при больших перепадах давлений разделения также не происходит, так как и стеклобой и люминофор уносятся потоком воздуха в другое место и не разделяются. Оптимальный режим воздушного потока находится внутри указанного перепада давлений от 100 Па до 10000 Па.

Вибрация в диапазоне частот 1...10000 Гц обеспечивает перемешивание и наилучшее отделение пылевой фракции. Создание вибрации в указанном диапазоне осуществлялось при вибрации при вращении вала с эксцентриком (на низких частотах) и при магнитострикции железного сердечника (при высоких частотах). Во всем указанном диапазоне частот от 1 до 10000 Гц отделение пылевой фракции люминофора осуществляется достаточно эффективно. При частотах менее 1 Гц стеклобой не перемешивается. Работу при частотах более 10000 Гц не удалось осуществить из-за технических трудностей. Диапазон частот 1-10000 Гц выбран как наиболее технически достижимый и недорогой (из технико-экономических соображений).

Выбранный диапазон температур связан со следующими явлениями:

1. При температурах более 300°С эффективно удаляется металлическая ртуть, которая имеет давление паров 1 атмосфера уже при 360°С. Однако наиболее устойчивые соединения ртути, в частности киноварь, каломель, сулема и др., не разлагаются, и ртуть не испаряется целиком из демеркуризуемых материалов. Анализы состава ртутьсодержащих материалов показывают, что при нагревании до температур ниже 600°C соединения ртути не разлагаются и ртуть остается в материалах.

2. При температурах 600-900°С соединения ртути разлагаются и ртуть удаляется из материалов полностью.

3. Выше 900°С нагревать материал нецелесообразно из-за повышенных затрат энергии и усложнения конструкции печи.

Ртутьсодержащий материал должен иметь размеры не более 1 мм, так как время выхода ртути из материала связано с размерами частицы в первом приближении по формуле

L˜√D·t,

Где L - размеры частицы в сантиметрах, D - коэффициент диффузии ртути в материале при данной температуре в сантиметрах квадратных деленных на секунду, t - время выдержки при данной температуре в секундах. При рекомендованных режимах разрушения ламп ртутьсодержащий материал имеет размеры менее 1 мм и такие размеры являются наиболее целесообразными для удаления ртути из люминофора. При больших размерах увеличивается минимальное время высокотемпературной выдержки (пропорционально квадрату размеров частицы). Демеркуризация частиц, имеющих размеры более 1 мм, приводит к ухудшению экономических показателей из-за увеличения времени выдержки при высоких температурах и соответственно затрат электроэнергии и других материальных затрат (времени обслуживания, заработной платы, уменьшению производительности линии).

Процесс удаления ртути состоит из нескольких стадий:

разложение ртутных соединений,

диффузия ртути в твердом объеме частицы,

испарение ртути с поверхности частицы,

диффузионное перемещение ртути в межчастичном пространстве,

выход ртути из пористого объема ртутьсодержащих отходов, диффузия ртути в газе,

конденсация паров в ловушке.

Лимитирующей стадией (самой медленной по кинетике процесса) удаления ртути из материала является удаление ртути из твердых частиц ртутьсодержащего материала.

Время выдержки не менее 30 минут связано с кинетикой удаления примесей. При отсутствии выдержки при температуре выше 600°С ртуть не удаляется. При времени выдержки 30 мин ртуть удаляется полностью. Время выдержки более 30 минут нецелесообразно, так как результат удаления ртути уже достигнут, а дальнейшая выдержка приводит к ненужным затратам. Диапазон 30 минут при температуре 600°-700°C связан с тепловой инерционностью печи и меньше быть не может при данных объемах загрузки, мощности нагревателей печи, теплоизоляции.

Предлагаемая технология направлена на полную утилизацию всех компонентов.

Двойная герметизация (1. герметизация всех узлов технологического оборудования и 2. отдельная герметизация всей технологической линии от рабочего помещения) обеспечивает повышенную безопасность проведения всего процесса.

Для реализации предлагаемого способа была создана на предприятии OOO «Автоэко» в г. Рязань экспериментальная технологическая линия. Технологическая линия состоит из следующих узлов и агрегатов:

1. Дробилка, которая представляет собой герметизируемый стальной объем с трубой для подачи люминесцентных ламп, внутри расположено устройство для разрушения люминесцентных ламп, которое приводится в действие электродвигателем, расположенным снаружи.

2. Сепаратор, который обеспечивает разделение колпачков, стеклобоя и ртутьсодержащего люминофора. Частота вибрации при сепарации обеспечивается электродвигателем с эксцентриком и составляет 50 Гц и согласована с элементами конструкции.

3. Циклон для улавливания ртутьсодержащего люминофора.

4. Система воздухоочистки, содержащая фильтры для поглощения пыли и фильтры с активированныим углем для поглощения остатков паров ртути.

5. Устройство для создания разрежения и воздушного потока, которое представляет собой крыльчатку с электродвигателем. Устройство настроено на создание разрежения 1000 Па.

6. Емкости для колпачков, стеклобоя, люминофора.

7. Печь, представляющая собой герметичный объем, в котором может быть размещена емкость с люминофором массой 50 кг. Температура внутри печи может достигать 900°С и создается электрическими нагревателями. Температура контролируется хромель-алюмелевой термопарой. Печь содержит также ловушку с системой охлаждения. Водяная система охлаждения имеет независимый контур циркуляции (радиатор, электронасос, охлаждаемая ловушка). Охлаждение может быть комбинированным (вода и жидкий азот).

8. Контроль содержания паров ртути проводится прибором АГП-1.

Все узлы и агрегаты работоспособны и обеспечивают выполнение функций: дробление ртутьсодержащих люминесцентных ламп, сепарацию металлических колпачков, стеклобоя и люминофора в потоке воздуха, создаваемого перепадом давлений 1000 Па при вибрации с частотой 50 Гц и выгрузку их в отдельные емкости, загрузку ртутьсодержащих отходов в герметичную печь с охлаждаемой ловушкой. Ловушка обеспечивает конденсацию паров ртути, выделившейся из объема и сбор жидкой ртути. Отходы имеют концентрацию ртути ниже допустимых норм и на уровне содержания ртути в окружающей среде (на уровне кларка ртути).

Предлагаемая технология в целом и варианты отдельных ее этапов были испытаны и реализованы. Нами были проведены анализы ртутьсодержащей массы на масс-спектрометре JMS-01-BM2 с двойной фокусировкой по 70 примесям, в первую очередь на ртуть. Оказалось что в исходном материале (люминофоре) содержание ртути составляло 200 (0.02%) ppm, а после проведения демеркуризации содержание ртути снизилось ниже чувствительности масс-спектрометра ниже 3 ppm (ниже 0.0003%).

Фактическое остаточное содержание ртути в демеркуризованных отходах обнаружить не удалось из-за ограничения пределов чувствительности современных аналитических средств.

Таким образом, задача переработки ртутьсодержащих отходов с помощью заявляемой технологии успешно решается и в техническом и экологическом смысле.

Все компоненты ртутьсодержащих приборов могут быть повторно использованы и не загрязнят окружающую среду ни веществом повышенной опасности (ртутью), ни мусором. В результате реализации технологии получаем: ртуть металлическую, стеклобой, лом цветного металла и строительный материал. Данная технология является высокопроизводительной, экономически целесообразной и, по-видимому, единственной в России на настоящий момент действительно экологически приемлемой. После переработки данной технологией не требуется занимать площади промышленных полигонов и свалок, а все компоненты отходов возвращаются в производство.

Изобретение может быть использовано в области охраны окружающей среды. Ртутьсодержащие люминесцентные лампы разрушают, разделяют на стеклобой, цоколи и ртутьсодержащий люминофор в потоке воздуха с разрежением 10÷100000 Па с использованием вибрации в диапазоне 1÷10000 Гц. Ртутьсодержащий люминофор, измельченный до размеров не более 1 мм, нагревают в герметичном объеме до 600-900°С, выдерживая при 600-700°С не менее 30 минут. Пары ртути конденсируют в охлаждаемой ловушке. При проведении всех процессов обеспечивают двойную герметизацию. Изобретение позволяет провести полную утилизацию люминесцентных ламп на металлическую ртуть, цветной металл, стекольное сырье и строительный материал, которые возвращаются в производство. Содержание ртути в отходах менее 3 ppm, что ниже чувствительности современных аналитических средств. Способ прост, высокопроизводителен. 1 табл.

Способ утилизации ртутьсодержащих люминесцентных ламп, заключающийся в их разрушении, разделении на стеклобой, цоколи, ртутьсодержащий люминофор в потоке воздуха с использованием вибрации, отличающийся тем, что поток воздуха создают разрежением 10-10000 Па, используют вибрацию в диапазоне 1-10000 Гц, ртутьсодержащий люминофор, измельченный до размеров не более 1 мм, нагревают в герметичном объеме до 600-900°С, выдерживая при температуре 600-700°С не менее 30 мин, пары ртути конденсируют в охлаждаемой ловушке и при проведении всех процессов обеспечивают двойную герметизацию.