ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2281311
СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ РТУТЬСОДЕРЖАЩИХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП
Имя изобретателя: Трунин Евгений Борисович (RU); Родионов Сергей Викторович (RU); Мамушкин Александр Анатольевич (RU)
Имя патентообладателя: Мамушкин Александр Анатольевич (RU); Родионов Сергей Викторович (RU); Трунин Евгений Борисович (RU)
Адрес для переписки: 390005, г.Рязань, ул. Татарская, 17, кв.169, Е.Б. Трунину
Дата начала действия патента: 2004.08.06
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.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.
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
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.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.
Версия для печати
Дата публикации 12.12.2006гг
вверх
|
