關(guān)于冷庫制冷劑展方向的探討

李晶晶

(福建海峽建筑設(shè)計規(guī)劃研究院，福州 350001)

1 前言

受去年接連發(fā)生的制冷企業(yè)氨泄漏事件影響，現(xiàn)在幾乎人人談氨色變，氨作為既環(huán)保又廉價的傳統(tǒng)工業(yè)制冷劑的“江湖地位”岌岌可危，人們匆匆忙忙地開始找尋安全的替代品。于是氟利昂以安全制冷劑的高姿態(tài)伺機而動，而蟄伏已久的CO2亦高調(diào)復(fù)出?？墒牵闭娴囊淮蛉肜鋵m，不再為人所用了么？筆者倒有不同的看法。

2 氨泄漏事故原因分析

文獻[1]介紹了去年兩起氨重大泄漏事故：

(1)長春寶源豐“6.3”火災(zāi)

長春寶源豐“6.3”火災(zāi)，起因是進車間更衣室和配電間布線明敷，也未用安全防護管，此處電器線路短路，造成起火，火勢從各聚苯夾心板分隔房間往吊頂上竄，由南向北，同時向下蔓延。屋頂原設(shè)計為不燃巖棉作保溫材料，企業(yè)為了省錢改換成現(xiàn)場噴涂阻燃性聚氨酯泡沫塑料，該材料遇明火繼續(xù)燃燒，火勢迅速蔓延。聚苯乙烯及聚氨酯泡沫塑料燃燒產(chǎn)生大量毒氣及高溫烈火導(dǎo)致氨設(shè)備管道產(chǎn)生物理爆炸而泄氨。幾種因素造成121人死亡，76人受傷。直接經(jīng)濟損失達到1.82億元。

(2)上海翁牌冷藏“8.31”泄氨事故

上海翁牌冷藏“8.31”泄氨事故起因是機房操作工違規(guī)對單凍機采用熱氨融霜，導(dǎo)致發(fā)生液錘(擊)現(xiàn)象，壓力瞬間升高，致使存在嚴重焊接缺陷的單凍機D159x5回氣集管一端管帽脫落，造成泄氨，該事故造成15人死亡，7人重傷，18人輕傷。直接經(jīng)濟損失2510萬元。

需要特別說明的是，2013年6月3日吉林寶源豐禽業(yè)有限公司氨氣泄漏事故，是由于電氣線路引起火災(zāi)，導(dǎo)致制冷管道內(nèi)氨的溫度和壓力迅速升高，制冷管道爆裂造成次生事故。很顯然，從火災(zāi)開始到制冷管道爆裂并不是同時發(fā)生的，中間還有一段間隔，如若在火災(zāi)發(fā)生初期就監(jiān)測報警并及時做好人員疏散工作，同時啟動有效的消防措施，就能把傷亡降到最低。甚至追溯到電氣線路的設(shè)計、施工以及平時維護都嚴格執(zhí)行國家安全生產(chǎn)標準，都能最大程度地杜絕火災(zāi)的發(fā)生。同時，由于企業(yè)管理的不規(guī)范，火災(zāi)發(fā)生時重要的逃生通道無法發(fā)揮作用，沒能及時疏散人員，也沒有有效的消防措施，員工逃生混亂無序，甚至不知道該往哪里逃，這才造成如此巨大的傷亡事故。而2013年8月31日的上海翁牌冷藏實業(yè)有限公司和11月28日山東乳山合和食品有限公司發(fā)生的液氨泄漏事故均是由于制冷管道管帽脫落造成，這就涉及到管道老化、施工質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量、制冷系統(tǒng)管理和操作不規(guī)范等問題。

制冷系統(tǒng)容器屬于壓力容器，制冷管道屬于壓力管道，應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的單位進行設(shè)計和施工。可是為了節(jié)約成本，有些企業(yè)氨制冷系統(tǒng)的設(shè)計和施工均未找具有正規(guī)資質(zhì)的單位，有的企業(yè)使用不符合國家標準的管道、山寨閥門等劣質(zhì)配件，這樣的制冷系統(tǒng)本來就存在先天不足，在企業(yè)建設(shè)之初就埋下隱患；有些制冷系統(tǒng)已使用多年，早已超過設(shè)備、管道和閥門系統(tǒng)的使用年限；有些企業(yè)不注意制冷系統(tǒng)平時的維護和保養(yǎng)，沒有定期檢查制冷系統(tǒng)，在閥門處或焊縫處發(fā)生輕微泄漏時未能及時察覺和補救，這樣的企業(yè)發(fā)生事故也不足為奇。另外，個別氨制冷系統(tǒng)操作工人責(zé)任心不強，安全防范意識不足，沒有按照規(guī)范進行操作，這樣即使是正規(guī)設(shè)計和施工的制冷系統(tǒng)也容易發(fā)生事故。同時，企業(yè)過度追逐利潤，忽視甚至無視員工安全，沒有制定事故應(yīng)急預(yù)案或制定了也僅僅是為了應(yīng)付檢查，從未對員工進行相關(guān)的安全宣傳教育和安全知識培訓(xùn)，員工缺乏自救和互救的知識和能力，甚至有的企業(yè)為了便于管理，關(guān)閉了逃生通道……這樣的企業(yè)，即使不是涉氨企業(yè)，也難免發(fā)生安全事故。

由上述可知，這幾次氨泄漏事故的發(fā)生，究其根本原因，都是人為的管理問題，企業(yè)追逐利潤、壓縮成本、重視生產(chǎn)、忽視安全，從而造成了各種安全隱患，最終釀成了重大安全事故。

3 氨制冷系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)法規(guī)

氨作為制冷劑使用到今天已有約141年的歷史，從設(shè)計到施工到使用，技術(shù)已較為成熟，相關(guān)的法規(guī)制定也已較為完善。

根據(jù)GB18218-2000《重大危險源辨識》，氨界定為生產(chǎn)場所危險源的臨界量為40t，貯存區(qū)的臨界量為100t，而GB18218-2009《危險化學(xué)品重大危險源辨識》中，取消了生產(chǎn)場所與儲存區(qū)之間的臨界量區(qū)別，將氨的臨界量統(tǒng)一定為10t。

《冷庫設(shè)計規(guī)范》自上世紀80年代至今已經(jīng)歷兩版修改，每次修改都對氨系統(tǒng)的安全措施提出更高要求?，F(xiàn)行的《冷庫設(shè)計規(guī)范》版本為GB50072-2010，與2001版《冷庫設(shè)計規(guī)范》相比，增加或修改了諸多與安全相關(guān)的技術(shù)性條文：如增加規(guī)定用氨作制冷劑的冷庫制冷系統(tǒng)，其氨制冷劑總充注量不應(yīng)超過40t，具有獨立氨制冷系統(tǒng)的相鄰冷庫之間的安全隔離距離不小于30m；如增加規(guī)定熱氨融霜壓力不得超過0.8MPa(表壓)；如明確規(guī)定包裝間、分割間、產(chǎn)品整理間等人員較多房間的空調(diào)系統(tǒng)嚴禁采用氨直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)(2001版的《冷庫設(shè)計規(guī)范》尚允許在這些房間使用氨直接蒸發(fā)式冷卻設(shè)備，只是籠統(tǒng)地要求必須確保人身安全)；如氨制冷機房事故排風(fēng)量按183m3/(m2·h)計算，且最小風(fēng)量不應(yīng)小于34000m3/h，排風(fēng)口應(yīng)位于側(cè)墻高處或屋頂(2001版的《冷庫設(shè)計規(guī)范》對事故排風(fēng)要求換氣次數(shù)不小于8次/h，并且未對最小風(fēng)量和排氣口位置提出要求)；再如，專門增加了消防給水與安全防護章節(jié)，確保氨泄漏后能有效地防止事故擴大化……。

2009年頒布并實施的特種設(shè)備安全監(jiān)察條例(中華人民共和國國務(wù)院令第549號)將壓力容器、壓力管道列入監(jiān)察范圍。2013年6月29日第十二屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第3次會議通過了《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》，并于2014年1月1日開始實施，自此，對壓力容器、壓力管道的安全監(jiān)管從行政法規(guī)層面升級到法律層面。

去年氨泄漏事件接連發(fā)生后，國務(wù)院安委會下發(fā)了《關(guān)于深入開展涉氨制冷企業(yè)液氨使用專項治理的通知》(安委〔2013〕6號)，之后根據(jù)此通知制定了《涉氨制冷企業(yè)液氨使用專項治理技術(shù)指導(dǎo)書》(試行)，并組織了相關(guān)企業(yè)人員的學(xué)習(xí)，加強了對涉氨企業(yè)的安全教育。同時，政府安監(jiān)管理部門加強了安檢執(zhí)行力度，根據(jù)有關(guān)法規(guī)對涉氨制冷企業(yè)制冷系統(tǒng)的壓力容器設(shè)備和管閥等實施了定期全面檢測，對各種管理制度包括有關(guān)管理人員的資質(zhì)審查、安全預(yù)案等實行了定期檢查。

由此可見，氨制冷系統(tǒng)在安全監(jiān)管制度上，已經(jīng)較為完善，經(jīng)過141年的經(jīng)驗積累，可以說，從技術(shù)和安全監(jiān)管制度上，已經(jīng)基本可以排除氨制冷系統(tǒng)的安全隱患。

4 現(xiàn)有幾種冷庫主要制冷劑的比較

作為制冷劑的物質(zhì)應(yīng)有較好的熱力性質(zhì)以及較滿意的物理化學(xué)性質(zhì)，主要的要求有[2]：

(1)臨界溫度高；

(2)冷凝壓力不要太高；

(3)蒸發(fā)壓力不要太低；

(4)單位容積制冷量大；

(5)凝固溫度低，蒸發(fā)潛熱大，比體積小；

(6)安全無毒不腐蝕；

(7)對環(huán)境友好；

(8)來源廣，價格低廉。

然而完全滿足這些要求的制冷劑目前尚未發(fā)現(xiàn)，我們只能根據(jù)實際情況選擇制冷劑。NH3、CO2和氟利昂(以R22作為代表)憑借各自的優(yōu)勢進入了人們的視野，現(xiàn)對這三種制冷劑的性質(zhì)作簡要比較，詳見表1、表2(表中部分數(shù)據(jù)源自文獻[3]、[4])。

表1 幾種制冷劑主要性能比較

項目R744R717R22分子式 CO2 NH3 CHClF2分子量度M(kg/kmol) 44.01 17.03 86.48氣體常數(shù)R(J/kg·K) 188.9 488.2 96.1絕熱指數(shù)k 1.30 1.31 1.20消耗臭氧層潛能(ODP) 0 0 0.055全球變暖潛能GWP(100年) 1 0 4200全球變暖潛能GWP(20年) 1 0 1600臨界溫度(℃) 31.1 133.0 96.0臨界壓力(MPa) 7.372 11.42 4.974臨界密度(kg/m3) 465 / /凝固點溫度(℃) -56.55 -77.7 -160標準大氣壓下沸點(℃) -78.4 -33.3 -40.80℃時容積制冷量(kJ/m3) 22600 4360 4344可燃性 否 是 否相對價格 1 2 10

注：CO2在加壓至約0.518MPa以上時才會呈液態(tài)，在0.518MPa的壓力下CO2液體凝固溫度為-56.55℃；而-78.4℃是指干冰在標準大氣壓下的升華溫度，故表中出現(xiàn)CO2沸點比凝固點溫度低的情況。

表2 幾種制冷劑的毒性[3]

制冷劑名稱造成人員死亡或嚴重傷害情況暴露時間(h)空氣中含量按體積(%)按質(zhì)量(g/m3)安全等級評價分解物是否有毒R7440.5～129～30530～550低毒,不傳播火焰否R7170.50.5～0.63～5高毒性,低度可燃否R22218～22.6645～810低毒,不傳播火焰是

根據(jù)兩表，我們可得出如下結(jié)論：

(1)R744即CO2的單位容積制冷量大大高于其他兩種制冷劑，從制冷性能來看，CO2的制冷性能無疑是最好的，同時它無毒、環(huán)保，易獲取，價格低廉，是非常理想的制冷劑。但是由于CO2的臨界壓力高，而臨界溫度太低，使其作為制冷劑在制冷系統(tǒng)中無論是亞臨界循環(huán)還是跨臨界循環(huán)，其系統(tǒng)運行壓力都將大大高于目前常規(guī)使用的氨制冷系統(tǒng)和氟制冷系統(tǒng)，這必然對設(shè)備及管閥系統(tǒng)的設(shè)計提出更高要求，也必然造成系統(tǒng)投資的增加。CO2無色無味，泄漏了也不易察覺，雖然CO2無毒，若在空氣中含量超過10%，也會在無聲無息中造成人員窒息傷亡。同時，CO2液體在常溫下容易氣化，故應(yīng)注意系統(tǒng)的保壓，以防由于CO2液體氣化引起容器、管道內(nèi)部壓力升高而造成物理性爆炸。

(2)R717即氨作為制冷劑，無論是單位容積制冷量、還是臨界溫度和壓力以及對環(huán)境的友好方面，都比較好，價格也較低廉，來源廣，初投資和運營成本都較低，是較理想的制冷劑，目前國內(nèi)和歐美國家90%左右的大型制冷系統(tǒng)都采用氨制冷劑，氨唯一的劣勢就是安全性較差，對人體有刺激，屬于有毒物質(zhì)，而且若泄漏至一定濃度，遇明火會爆炸。但由于技術(shù)比較熟，相關(guān)法律法規(guī)也比較完善，安全監(jiān)管到位，只要嚴格按照國家相關(guān)法律法規(guī)設(shè)計、施工、運行使用和管理，氨制冷劑已比較安全。

(3)R22目前雖然還在使用，但根據(jù)中華人民共和國國務(wù)院令(第573號)：《消耗臭氧層物質(zhì)管理條例》，2030年將實現(xiàn)除維修和特殊用途以外的完全淘汰。而且R22單位容積制冷量是三種制冷劑中最低的，價格較高，有破壞臭氧層、產(chǎn)生溫室效應(yīng)的副作用。作為它的可能替代品的氟利昂R410A制冷劑，雖然不破壞臭氧層，但由于溫室效應(yīng)較高(GWP1730)，而且COP值較低，也非長久之計。同時，氟利昂制冷劑是一種滲透性強，極易泄漏的物質(zhì)，但大部分氟利昂制冷劑無色無味，泄漏也不易察覺，在使用過程中如果產(chǎn)生泄漏，可能要等到泄漏量較大、制冷系統(tǒng)的制冷效果明顯下降才被人發(fā)現(xiàn)，因此補充充注制冷劑的生產(chǎn)成本會很大。另外，非共沸氟利昂制冷劑組分不穩(wěn)定，易在生產(chǎn)、調(diào)試、維修過程中發(fā)生泄漏，泄漏后難以判定剩余制冷劑組分比例，如果不考慮剩余制冷劑組分比例，可能嚴重影響制冷系統(tǒng)的性能，甚至影響到制冷系統(tǒng)的正常運行，如果將系統(tǒng)需要抽空后重新充注，這對大型制冷系統(tǒng)來說生產(chǎn)成本將大大增高，而且無疑是一種巨大的浪費。

5 總結(jié)

我們在選擇大型制冷系統(tǒng)中的制冷劑時，應(yīng)全面考慮各制冷劑的優(yōu)勢和劣勢，揚長避短。如上所述，由于氟利昂制冷劑自身性質(zhì)的局限，在環(huán)境保護日趨嚴格的情況下，現(xiàn)有的氟利昂制冷劑還在尋找更為環(huán)?？煽康奶娲?。相對來說，目前R717和R744更適用于大型工業(yè)制冷系統(tǒng)。然而，CO2大型制冷系統(tǒng)尚在實踐摸索過程中，雖然現(xiàn)在國內(nèi)已有幾例以CO2為制冷劑或載冷劑的制冷系統(tǒng)在運行，但畢竟使用時間不長，技術(shù)尚未十分成熟(尤其是CO2作為制冷劑的制冷系統(tǒng))，存在諸多不確定性，使用經(jīng)驗還不是很豐富，而且相關(guān)設(shè)計施工和運行管理規(guī)范尚未出臺，目前不宜盲目擴大生產(chǎn)，只能試驗性投產(chǎn)；另外，無論CO2是作為制冷劑還是載冷劑，它依然需要依托其他制冷劑進行制冷，其他制冷劑存在的問題(如之前所述)仍然不能忽略?？紤]到它的制冷價值，需要更多人員和精力的投入，研究其各種可能性；同時，目前已投入使用的項目函需時間驗證。綜上所述，目前在大型工業(yè)制冷系統(tǒng)中，氨制冷劑無疑是最為經(jīng)濟適用的制冷劑。因此，筆者相信，在較長一段時間內(nèi)，在大型工業(yè)制冷系統(tǒng)中，氨作為大型制冷系統(tǒng)制冷劑的主導(dǎo)地位暫時難以撼動。

筆者認為，我們不能因噎廢食，氨制冷技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在此基礎(chǔ)上進一步深化氨制冷系統(tǒng)的安全防范措施研究比將精力和資金投入到一個全新的領(lǐng)域，無論是從效率還是效益來說，都更為有利。但CO2為人們提供了更多可能性選擇，尤其在人員密集區(qū)，氨使用受到限制時，CO2便成為人們可優(yōu)先考慮的備選制冷劑，因此，CO2制冷系統(tǒng)的研究也應(yīng)該繼續(xù)，隨著科學(xué)的進步，也許某天它能成長為替代氨的完美制冷劑。

無論使用哪一種制冷劑，生產(chǎn)安全都不容忽視，制冷企業(yè)從設(shè)計到施工再到運營，都應(yīng)該規(guī)范操作，不為利益蒙蔽責(zé)任心；國家相關(guān)安全部門應(yīng)加強監(jiān)督管理，對屢教不改的企業(yè)增大懲罰力度直至關(guān)閉，防患于未然，才能減少事故發(fā)生。

[1] 葉尉南.食品加工企業(yè)涉氨制冷系統(tǒng)安全使用的若干問題[J].冷藏技術(shù)，2013，(4)：4-6

[2] 徐世瓊.新編制冷技術(shù)問答[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1999:50

[3] 王侃宏.CO2跨臨界循環(huán)的理論分析與實驗研究[D].天津：天津大學(xué)，2000.

[4] Hwang Y.Comprehensive investigation of carbon dioxide refrigeration cycle[D].USA:University of Maryland,1997