HID光源内的含汞量介绍

高强度气体放电灯（ＨＩＤ）是继白炽灯、荧光灯后的第三代光源，是电光源发展史上的一大革命。ＨＩＤ使光源的光效得到大幅度提高，功率范围也显著扩大。几十年来，各种ＨＩＤ光源如高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯都得到了长足的进展。
ＨＩＤ光源离不开汞的使用，或者说现代光源包括高压汞灯、高压钠灯、金卤灯，乃至超高压汞灯在内的各种HID无一不是汞蒸汽的杰出效应。随着人们对汞危害认识的提高，对HID光源的使用也提出了疑问。并引出一系列相关问题：如何全面评价ＨＩＤ光源中的汞？从环保角度看含汞灯的汞含量是多少可以接受？如何评价无汞的ＨＩＤ光源？
这些问题在社会上甚至在业界内引起了很大反响，有些学者把灯内无汞作为绿色光源的首要标志而不谈光效与寿命，某些权威部门甚至想出台限制含汞光源的措施。
为此，本文就ＨＩＤ光源及其汞含量问题进行如下分析。
2、HID光源中汞的来源
污染环境的汞来自两个方面，一个当然是制灯消耗和灯废弃时灯内的汞；另一个未被大众所认识的来源是点灯耗电时，火电厂燃烧煤炭燃料中也有汞释放到大气中。而电光源在全寿命期间造成环境污染的总汞量为这二者之和。
为了定量分析灯中对环境造成污染的汞主要来源，我们必须先计算电光源每消耗１kWh的电能，发电厂的排汞量，而这取决于每千克煤炭内的含汞量、每发1kWh电的耗煤量以及火力发电的比例（基本上认为非火力发电不存在汞的散发）。
汞是煤炭中的伴生杂质，各种煤炭的汞含量也不尽相同，通常含量为０．０９６~２．６７ｐｐｍ，综合值为０．５５ｐｐｍ，即每燃烧１ｋｇ煤就有０．５５ｍｇ汞排向大气。
火力发电煤耗为０．３３７ｋｇ/kWh标煤（６００ＭＷ机组）到０．４０６ｋｇ/kWh标煤（１００ＭＷ机组），平均标煤耗量为０．３７５ｋｇ/kWh。
目前，中国火力发电占总发电量的比例为７３．７％，（水力占２４．５５％，其他占１．７５％），这三者的乘积为：
ｃ＝０．５５×０．３７５×７３．７％＝０．１５２ｍｇ/ｋＷｈ
当然在不同的国家有不同的值。随着发电技术的进步和燃煤电站比例的减少，此值呈下降趋势。
为了能够比较不同类型的光源，我们引入一个参数Ｍ，表示一个灯在单位时间内发出单位光通量的总释汞量。笔者用每千流明每千小时释汞的毫克数表示，称为总释汞度。
总释汞度公式：Ｍ＝Ｈ/ＬＴ＋ｃ/ｅ
式中:Ｈ—灯内的含汞量；
Ｌ—该光源寿命期间的平均总光通量（ｋLｍ）；
Ｔ—光源的寿命（ｋｈ）；
ｃ—每发1kWh电发电厂向大气排放的汞量为０．１５２ｍｇ/ｋＷｈ；
ｅ—光源最基本的一个参数“发光效能”（Lｍ/Ｗ）。
3、不同类型的ＨＩＤ有不同的总释汞度
我们分别计算不同灯（也包括了无汞的白炽灯和荧光灯作为参照）的释汞度，结果如下表所示。
4、大功率长寿命ＨＩＤ灯可近似看作无汞光源
在总释汞公式中，当Ｈ/ＬＴ　＜＜ｃ/ｅ时，可以近似地把灯看成无汞光源，这样“无汞光源”的条件是Ｈ＜＜ｃｐＴ。
只要灯的功率ｐ足够大，寿命Ｔ足够长，这个条件总能满足。对功率为２５０Ｗ，寿命为１２０００h的任何ＨＩＤ光源，ｃｐＴ＝５００ｍｇ，灯内含汞量小于５０ｍｇ，比它低了一个数量级，可以忽略不计。
这时总释汞量为Ｍ＝ｃ/ｅ，因此大功率长寿命的ＨＩＤ灯可以近似地看成无汞光源，它的首要环保目标不是降低灯内的汞，而是提高光效ｅ。
从上表中最右一列可以清楚地看出：
（1）环境总的汞污染不能只看灯内的含汞量，无汞的白炽灯实际上比任何光源的汞污染都高；
（2）与荧光灯（包括紧凑荧光灯）的汞污染相比，标准高压汞灯与之相当，而高压钠灯、金卤灯要好得多；
（3）在ＨＩＤ中，自镇流高压汞灯的汞污染最高；
（4）总的来说，ＨＩＤ对环境总汞污染最低。
5、无汞光源必须达到的光效
如何评价新的无汞ＨＩＤ光源？
首先，无汞光源应该代表ＨＩＤ光源特别是小功率的ＨＩＤ灯的一个发展方向，真正有意义的无汞光源必须达到一定的发光效能。
上面我们计算了每种灯的总释汞度，相应的无汞灯的总释汞度至少不能比这个数值高。
根据Ｍ＝Ｈ/ＬＴ＋ｃ/ｅ，当Ｈ＝０时，公式变成Ｍ＝ｃ/ｅ，得出无汞灯应达到的最低光效：
ｅ＝ｃ/Ｍ
对于无汞高压钠灯，ｅ＝０．１５２/０．００１６＝９５Lｍ/Ｗ；
对于无汞金卤灯，ｅ＝０．１５２/０．００２３＝６6Lｍ/Ｗ。
然而，市场上某些自诩封为绿色ＨＩＤ灯的市售无汞高压钠灯，光效还不到８０Lｍ/Ｗ。
6、含汞ＨＩＤ灯的回收
ＨＩＤ灯的使用范围一直在不断扩大，已从室外照明延伸到室内照明和汽车照明，因此，生产量以极快的速度发展着，到２００５年我国年产量就已经超过1亿只。因为每只灯的绝对用汞量依然比较高，所以，如果能够回收寿命终了的含汞ＨＩＤ光源中的汞，对环境保护非常有利。其实关于含汞废ＨＩＤ光源的回收，世界上已有较成熟的工艺设备，其原理无外乎高温蒸发、过滤收集和水冲击沉淀收集几种方法。
汞的回收率接近１００％，并且回收分离出来的玻璃和金属仍具有利用价值。对于双层玻壳的ＨＩＤ，由于灯中的汞只存在于放电管内，回收设备的原理其实并不太复杂。占总重量６０％以上的玻璃的回收率可高达９５％。但是，目前在我国还没有那个ＨＩＤ企业设立了废ＨＩＤ光源的回收线，这与回收成本太高，并且缺少法律约束有关。从国外的经验看，较为合理的解决办法是在政府的指导下，用经济杠杆让废ＨＩＤ光源的回收成为一种独立的产业。