1、前言

　　高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)是繼白熾燈、熒光燈后的第三代光源，是電光源發(fā)展史上的一大革命。HID使光源的光效得到大幅度提高，功率范圍也顯著擴(kuò)大。幾十年來(lái)，各種HID光源如高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

　　HID光源離不開汞的使用，或者說現(xiàn)代光源包括高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈，乃至超高壓汞燈在內(nèi)的各種HID無(wú)一不是汞蒸汽的杰出效應(yīng)。隨著人們對(duì)汞危害認(rèn)識(shí)的提高，對(duì)HID光源的使用也提出了疑問。并引出一系列相關(guān)問題：如何全面評(píng)價(jià)HID光源中的汞?從環(huán)保角度看含汞燈的汞含量是多少可以接受?如何評(píng)價(jià)無(wú)汞的HID光源?

　　這些問題在社會(huì)上甚至在業(yè)界內(nèi)引起了很大反響，有些學(xué)者把燈內(nèi)無(wú)汞作為綠色光源的首要標(biāo)志而不談光效與壽命，某些權(quán)威部門甚至想出臺(tái)限制含汞光源的措施。

　　為此，本文就HID光源及其汞含量問題進(jìn)行如下分析。

　　2、HID光源中汞的來(lái)源

　　污染環(huán)境的汞來(lái)自兩個(gè)方面，一個(gè)當(dāng)然是制燈消耗和燈廢棄時(shí)燈內(nèi)的汞;另一個(gè)未被大眾所認(rèn)識(shí)的來(lái)源是點(diǎn)燈耗電時(shí)，火電廠燃燒煤炭燃料中也有汞釋放到大氣中。而電光源在全壽命期間造成環(huán)境污染的總汞量為這二者之和。

　　為了定量分析燈中對(duì)環(huán)境造成污染的汞主要來(lái)源，我們必須先計(jì)算電光源每消耗1kWh的電能，發(fā)電廠的排汞量，而這取決于每千克煤炭?jī)?nèi)的含汞量、每發(fā)1kWh電的耗煤量以及火力發(fā)電的比例(基本上認(rèn)為非火力發(fā)電不存在汞的散發(fā))。

　　汞是煤炭中的伴生雜質(zhì)，各種煤炭的汞含量也不盡相同，通常含量為0.096~2.67ppm，綜合值為0.55ppm，即每燃燒1kg煤就有0.55mg汞排向大氣。

　　火力發(fā)電煤耗為0.337kg/kWh標(biāo)煤(600MW機(jī)組)到0.406kg/kWh標(biāo)煤(100MW機(jī)組)，平均標(biāo)煤耗量為0.375kg/kWh。

　　目前，中國(guó)火力發(fā)電占總發(fā)電量的比例為73.7%，(水力占24.55%，其他占1.75%)，這三者的乘積為：

　　c=0.55×0.375×73.7%=0.152mg/kWh

　　當(dāng)然在不同的國(guó)家有不同的值。隨著發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和燃煤電站比例的減少，此值呈下降趨勢(shì)。

　　為了能夠比較不同類型的光源，我們引入一個(gè)參數(shù)M，表示一個(gè)燈在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出單位光通量的總釋汞量。筆者用每千流明每千小時(shí)釋汞的毫克數(shù)表示，稱為總釋汞度。

　　總釋汞度公式：M=H/LT+c/e

　　式中:H—燈內(nèi)的含汞量;

　　L—該光源壽命期間的平均總光通量(kLm);

　　T—光源的壽命(kh);

　　c—每發(fā)1kWh電發(fā)電廠向大氣排放的汞量為0.152mg/kWh;

　　e—光源最基本的一個(gè)參數(shù)“發(fā)光效能”(Lm/W)。

　　3、不同類型的HID有不同的總釋汞度

　　我們分別計(jì)算不同燈(也包括了無(wú)汞的白熾燈和熒光燈作為參照)的釋汞度，結(jié)果如下表所示。

　　4、大功率長(zhǎng)壽命HID燈可近似看作無(wú)汞光源

　　在總釋汞公式中，當(dāng)H/LT　<

　　只要燈的功率p足夠大，壽命T足夠長(zhǎng)，這個(gè)條件總能滿足。對(duì)功率為250W，壽命為12000h的任何HID光源，cpT=500mg，燈內(nèi)含汞量小于50mg，比它低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以忽略不計(jì)。

　　這時(shí)總釋汞量為M=c/e，因此大功率長(zhǎng)壽命的HID燈可以近似地看成無(wú)汞光源，它的首要環(huán)保目標(biāo)不是降低燈內(nèi)的汞，而是提高光效e。

　　從上表中最右一列可以清楚地看出：

　　(1)環(huán)境總的汞污染不能只看燈內(nèi)的含汞量，無(wú)汞的白熾燈實(shí)際上比任何光源的汞污染都高;

　　(2)與熒光燈(包括緊湊熒光燈)的汞污染相比，標(biāo)準(zhǔn)高壓汞燈與之相當(dāng)，而高壓鈉燈、金鹵燈要好得多;

　　(3)在HID中，自鎮(zhèn)流高壓汞燈的汞污染最高;

　　(4)總的來(lái)說，HID對(duì)環(huán)境總汞污染最低。

　　5、無(wú)汞光源必須達(dá)到的光效

　　如何評(píng)價(jià)新的無(wú)汞HID光源?

　　首先，無(wú)汞光源應(yīng)該代表HID光源特別是小功率的HID燈的一個(gè)發(fā)展方向，真正有意義的無(wú)汞光源必須達(dá)到一定的發(fā)光效能。

　　上面我們計(jì)算了每種燈的總釋汞度，相應(yīng)的無(wú)汞燈的總釋汞度至少不能比這個(gè)數(shù)值高。

　　根據(jù)M=H/LT+c/e，當(dāng)H=0時(shí)，公式變成M=c/e，得出無(wú)汞燈應(yīng)達(dá)到的最低光效：

　　e=c/M

　　對(duì)于無(wú)汞高壓鈉燈，e=0.152/0.0016=95Lm/W;

　　對(duì)于無(wú)汞金鹵燈，e=0.152/0.0023=66Lm/W。

　　然而，市場(chǎng)上某些自詡封為綠色HID燈的市售無(wú)汞高壓鈉燈，光效還不到80Lm/W。

　　6、含汞HID燈的回收

　　HID燈的使用范圍一直在不斷擴(kuò)大，已從室外照明延伸到室內(nèi)照明和汽車照明，因此，生產(chǎn)量以極快的速度發(fā)展著，到2005年我國(guó)年產(chǎn)量就已經(jīng)超過1億只。因?yàn)槊恐粺舻慕^對(duì)用汞量依然比較高，所以，如果能夠回收壽命終了的含汞HID光源中的汞，對(duì)環(huán)境保護(hù)非常有利。其實(shí)關(guān)于含汞廢HID光源的回收，世界上已有較成熟的工藝設(shè)備，其原理無(wú)外乎高溫蒸發(fā)、過濾收集和水沖擊沉淀收集幾種方法。

　　汞的回收率接近100%，并且回收分離出來(lái)的玻璃和金屬仍具有利用價(jià)值。對(duì)于雙層玻殼的HID，由于燈中的汞只存在于放電管內(nèi)，回收設(shè)備的原理其實(shí)并不太復(fù)雜。占總重量60%以上的玻璃的回收率可高達(dá)95%。但是，目前在我國(guó)還沒有那個(gè)HID企業(yè)設(shè)立了廢HID光源的回收線，這與回收成本太高，并且缺少法律約束有關(guān)。從國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)看，較為合理的解決辦法是在政府的指導(dǎo)下，用經(jīng)濟(jì)杠桿讓廢HID光源的回收成為一種獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)。