NIK類物質(zhì)作為HFCs替代物的可行性分析

杜曉林 劉 哲

(環(huán)境保護(hù)部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心，北京 100029)

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NIK類物質(zhì)作為HFCs替代物的可行性分析

杜曉林 劉 哲

(環(huán)境保護(hù)部環(huán)境與經(jīng)濟(jì)政策研究中心，北京 100029)

本文對IK和NIK兩類替代物的特性及商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行對比分析，綜合考慮兩類物質(zhì)所需工業(yè)技術(shù)、使用效率、對成本和環(huán)境的要求等。分析結(jié)果表明，NIK雖然具有較高單位使用量的成本優(yōu)勢，但是使用效率較低，且部分存在安全隱患，按照使用效率計算的成本較高，進(jìn)而導(dǎo)致綜合成本較高；IK的單位使用量成本較高，但是由于使用安全、高效，更具有綜合成本優(yōu)勢，缺陷是NIK專利和技術(shù)大多數(shù)受到美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家控制。因此，本文得出結(jié)論認(rèn)為，用NIK類物質(zhì)替代HFCs的潛力不如預(yù)期大，會產(chǎn)生效率和成本的損失。目前來看，HFCs的替代物質(zhì)還應(yīng)以IK類物質(zhì)為主，并需要在未來的談判中，加強(qiáng)發(fā)展中國家對相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)轉(zhuǎn)讓和資金支持的要求。

《蒙特利爾議定書》基加利修正案；HFCs;非相似替代物質(zhì)和技術(shù)(NIK)

引言

隨著《蒙特利爾議定書》(以下簡稱《蒙書》)HFCs修正案的簽署和即將生效，發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家分別確立了HFCs的減排路線圖[1]。落實(shí)《蒙書》修正案，需要尋找新的替代物，以代替原有HFCs物質(zhì)在制冷、空調(diào)、發(fā)泡等行業(yè)發(fā)揮的重要作用[2]。美國氣候變化研究權(quán)威機(jī)構(gòu)皮尤中心下屬的氣候變化與能源技術(shù)中心(C2ES)近日發(fā)布報告[3]指出HFCs替代物可分為“相似”(In-Kind，IK)和“非相似”(Not-In-Kind，NIK)兩種，其中NIK更具有環(huán)境效益和市場優(yōu)勢。該報告認(rèn)為，NIK替代物質(zhì)、NIK回收和減排措施在《蒙書》框架下替代了85%的臭氧層消耗物質(zhì)。NIK類物質(zhì)來替代HFCs的潛力約為50%，考慮到發(fā)展中國家HFCs的使用量在基準(zhǔn)情景下到2050年要增加80%，這一潛力是相當(dāng)可觀的。如果這種說法為真，則發(fā)展中國家減排和替代HFCs的前景是相對樂觀的，但是否如此，需要謹(jǐn)慎的甄別和論證。如果NIK的替代前景并不如該機(jī)構(gòu)預(yù)期，那么發(fā)展中國家在既定的HFCs減排路線圖框架下，將付出更多的成本，來自發(fā)達(dá)國家的資金和技術(shù)支持就需要在此前基礎(chǔ)上提高力度。本文分析了NIK類物質(zhì)和技術(shù)的提出背景，并分別分析了NIK類替代物質(zhì)的使用效率、所需要的外生技術(shù)條件、綜合成本等問題，試圖判斷NIK類物質(zhì)和技術(shù)替代HFCs的可行性。

1 NIK類物質(zhì)作為HFCs替代物被提出的背景

制冷行業(yè)發(fā)展已久，最開始使用二氧化碳、乙醚、碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)進(jìn)行制冷[4]，其全球增溫潛勢(GWP)和臭氧潛勢(ODP)都很低，不會對環(huán)境造成危害，但由于物質(zhì)本身的屬性以及技術(shù)限制，在實(shí)際實(shí)施層面具有不穩(wěn)定性、效率低、成本難以控制等不利因素；隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了制冷性能較好、成本較低、效率較高的被稱之為“氟利昂”的系列鹵代烴化合物(包括CFCs、HCFCs等)，大大提高了制冷效率和工藝，但隨著氟利昂的大量使用，含氯的氟利昂分子擴(kuò)散到大氣層中后分解出氯原子，氯原子可以催化分解臭氧分子，使得大氣中臭氧層遭到破壞，出現(xiàn)臭氧空洞，因此被限制使用。

為保護(hù)臭氧層，制冷行業(yè)開始使用HFCs作為新一代臭氧層消耗物質(zhì)(ODS)替代物，雖對臭氧層沒有破壞作用，但他們又具有較高的GWP，會對全球氣候變化產(chǎn)生顯著影響。經(jīng)過多年談判，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)和《蒙書》達(dá)成共識，將HFCs排放的報告和核查工作放在UNFCCC框架下進(jìn)行，而HFCs的減排和替代工作，要借助《蒙書》的專長和優(yōu)勢，放在《蒙書》機(jī)制下完成。2016年10月15日，《蒙書》在盧旺達(dá)首都基加利，經(jīng)過197個締約方磋商與談判，通過了旨在減少HFCs排放的《蒙書》修正案[5]，為全球消減HFCs制定了明確時間表。在新的國際背景趨勢下，我國減排HFCs壓力增大，HFCs替代品的選擇成為接下來各國考慮的重點(diǎn)工作之一。未來的替代品選擇需要滿足的兩個條件就是具有很低的ODP和很低的GWP值[6]。

HFCs替代物質(zhì)可概括為NIK和IK兩大類[7]，NIK包含“不含碳氟化合物的化學(xué)物質(zhì)”和“非化學(xué)替代物”，后者主要指改進(jìn)工藝流程等技術(shù)；而IK指“低ODP和低GWP的碳氟化合物”，具體見表1。本文主要討論NIK中不含碳氟化合物的化學(xué)物質(zhì)作為HFCs替代物的可行性。

表1 NIK和IK包含的物質(zhì)種類

2 NIK物質(zhì)的特性及應(yīng)用

NIK和IK物質(zhì)特性及應(yīng)用可詳見附表1和附表28。NIK中不含碳氟化合物的氨、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、水、水霧、干粉、泡沫、惰性氣體、甲酸甲酯等，這些物質(zhì)與IK物質(zhì)比較，在自然界中相對容易獲取，大部分具有低可燃性，少部分具有可燃性，ODP和GWP趨近為零，安全指數(shù)相對較小，但也有具有毒性的物質(zhì)，比如氨。IK物質(zhì)無毒無害，也具有相對較低的安全系數(shù)，但部分物質(zhì)具有較高的GWP。

在商業(yè)化應(yīng)用方面，HFOs、HFOs和HFCs混合物已經(jīng)在室內(nèi)、工業(yè)、商業(yè)、空調(diào)制冷劑、發(fā)泡劑、等各行業(yè)展開了應(yīng)用，但由于其效率明顯不如HFCs，應(yīng)用范圍不是很廣泛，目前多數(shù)在國內(nèi)外也沒有大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，具有其局限性。NIK中不含碳氟化合物的物質(zhì)，由于其歷史發(fā)展時間久，有一定的基礎(chǔ)使用經(jīng)驗，商業(yè)化用途較多，在室內(nèi)、商業(yè)、工業(yè)、交通、空調(diào)等制冷行業(yè)有相對廣泛的應(yīng)用，但大規(guī)模的應(yīng)用需考慮成本問題。

3 IK物質(zhì)和部分NIK物質(zhì)的技術(shù)可行性分析

通過附表1和2，對IK物質(zhì)和部分NIK物質(zhì)的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)行了統(tǒng)計分析，總結(jié)如下：

(1)HFOs：在工業(yè)制冷行業(yè)可代替HFC或HCFC等物質(zhì)，可商業(yè)化應(yīng)用于固定空調(diào)、冷卻器、移動空調(diào)以及擠塑聚苯板塑料泡沫，尚未在室內(nèi)制冷和商業(yè)制冷中應(yīng)用。

(2)HFOs和HFCs混合物：在制冷行業(yè)有有限的商業(yè)經(jīng)驗，在空調(diào)使用中受限于安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

(3)HCs及HCs混合物的應(yīng)用：基本在廣泛的商業(yè)化使用，在不同行業(yè)的制冷劑設(shè)備和發(fā)泡劑中可廣泛使用，在空調(diào)使用過程中由于可燃性的擔(dān)憂用于小型設(shè)備的使用。

(4)氨：在工業(yè)制冷劑中廣泛使用，但在商業(yè)制冷劑、空調(diào)、冷卻器領(lǐng)域的使用限于小成本的冷卻裝置。若大規(guī)模使用則需考慮成本問題及毒性問題。

(5)二氧化碳：在發(fā)泡劑行業(yè)廣泛使用，在商業(yè)制冷劑、工業(yè)制冷劑和交通制冷劑中只有有限的可用性，在空調(diào)行業(yè)目前處于調(diào)試和試驗階段。大規(guī)模的使用仍需考慮成本問題。

(6)水：可用于固定空調(diào)和冷卻器，限于特殊的應(yīng)用裝置。

附表1 不同行業(yè)的IK低溫室效應(yīng)替代物列表

續(xù)附表1

附表1 不同行業(yè)的IK低溫室效應(yīng)替代物列表

安全級別：A1指低毒性、無可燃性；A2、A2L是低毒性、低可燃性，A3是低毒性、高可燃性，B1是高毒性，無可燃性，B2，B2L是高毒性，低可燃性，B3是高毒性，高可燃性；溫室效應(yīng)指數(shù)：根據(jù)UNFCCC AR5 100年升溫潛勢；資料來源：Steve Seidel/Jason Ye，october2016，Not-in-kind alternatives to high global warming HFCs，Center Climate and Energy Solutions，Center for Climate and Energy Solutions。

附表2 不同行業(yè)的NIK低溫室效應(yīng)替代物列表

續(xù)附表2

行業(yè)分類化學(xué)物質(zhì)安全級別升溫潛勢應(yīng)用(國別)8聚氨酯泡沫塑料HCsc-戊烷Iso-戊烷戊烷戊烷的混合丙烷和丁烷55553廣泛商用，在發(fā)展中國家廣泛應(yīng)用氧化的HCs甲酸甲酯<25商用；升級增長；成分是易燃的，但泡沫系統(tǒng)企業(yè)混合使用后可降低，這對中小企業(yè)來說是個優(yōu)勢甲縮醛<25商用，緩慢提升二氧化碳CO21商用，廣泛應(yīng)用CO2withco-blowingagent1商用，廣泛應(yīng)用超臨界二氧化碳1商用，在日本一家企業(yè)應(yīng)用9擠塑聚苯板塑料泡沫HCs丙烷、丁烷商用，在日本被大型生產(chǎn)商廣泛使用氧化的HCs甲醚商用；usedasco-blowingagent二氧化碳CO21商用，廣泛應(yīng)用于歐洲

安全級別：A1指低毒性、無可燃性；A2、A2L是低毒性、低可燃性，A3是低毒性、高可燃性，B1是高毒性，無可燃性，B2，B2L是高毒性，低可燃性，B3是高毒性，高可燃性；溫室效應(yīng)指數(shù)：根據(jù)UNFCCC AR5 100年升溫潛勢。

(7)氧化的HCs(甲酸甲酯、甲醚、甲縮醛等)：在發(fā)泡行業(yè)應(yīng)用較多，但是使用過程中需要考慮其可燃性。

綜上分析可知，IK物質(zhì)其特性無毒無害，可燃性較低，相對安全，商業(yè)化使用經(jīng)驗有限，且缺少自主專利和知識產(chǎn)權(quán)；NIK中不含碳氟化合物的物質(zhì)部分物質(zhì)具有毒性，部分物質(zhì)具有可燃性，具有較低的GWP和ODP值，在商業(yè)化應(yīng)用中較為廣泛，但在大規(guī)模使用中需要考慮綜合成本問題。

4 結(jié) 論

制冷劑未來的發(fā)展趨勢是選擇清潔高效的技術(shù)9。NIK是最頗有潛力的HFCs替代品，在克服其不穩(wěn)定性、毒性等方面的問題基礎(chǔ)上，有著廣泛的商業(yè)價值和使用價值，仍然需要重點(diǎn)考慮的是，這些物質(zhì)的制冷技術(shù)成熟度和綜合的生產(chǎn)成本問題。

低ODP值的HFCs、HFOs、以及HFOs和HCFC混合物等，具有相對較低的GWP值，無毒無害，且具有較高的制冷效率，成本較低，在商業(yè)化應(yīng)用過程中具有較高的潛在價值，但是相關(guān)的核心技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)使用費(fèi)用將較為昂貴，且相關(guān)專利和技術(shù)大多數(shù)掌握在美國、歐洲、日本手中，交易成本也會較高。

因此，在大力發(fā)展IK技術(shù)以外，還應(yīng)加強(qiáng)對NIK物質(zhì)的進(jìn)一步適用性研究來降低綜合成本，擴(kuò)充HFCs替代物的選擇范圍和成本優(yōu)勢。

[1]UNEP. Decisions of the 19th meeting of the parties to the montreal protocol[R]. 2007.

[2]龐瑜，趙轉(zhuǎn)軍，廖琴，2016年2月，《蒙特利爾議定書》中國際臭氧消耗物質(zhì)控排政策效果評述，世界科技研究與發(fā)展，第38卷第1期，蘭州大學(xué)資環(huán)學(xué)院.

[3]Steve Seidel/Jason Ye. 2016. Not-in-kind alternatives to high global warming HFCs. Center for Climate and Energy Solutions.

[4]陳光明，高能，樸春成. 2016.低碳制冷劑研究及應(yīng)用最新進(jìn)展[J].《制冷學(xué)報》2016年第一期.

[5]CCAC Secretariat. 2016. Historical Agreement on HFCs reached in Kigali. http://www.ccacoalition.org/en/news/historical-agreement-hfcs-reached-kigali.

[6]吳克安，張建君，鄭冬芳，2016年1月，中國ODS 替代品性能評價體系建設(shè)的研究，有機(jī)氟工業(yè)，2016年第一期，浙江省化工研究院有限公司.

[7]Steve Seidel/Jason Ye，october2016，Not-in-kind alternatives to high global warming HFCs，Center Climate and Energy Solutions，Center for Climate and Energy Solutions.

[8]Steve Seidel/Jason Ye，october2016，Not-in-kind alternatives to high global warming HFCs，Center Climate and Energy Solutions，Center for Climate and Energy Solutions.

[9]郭輝，2013年9月，制冷劑對環(huán)境的影響及發(fā)展趨勢，技術(shù)與創(chuàng)新管理，第34卷第5期，西安中體實(shí)業(yè)有限公司.

Not-In-Kind HFCs Substitute and a Simple Cost-effective Analysis

DU Xiaolin LIU Zhe

(Policy Research Center for Environment and Economy of MEP，Beijing 100029)

This paper looks into the comparative figures of In-Kind and Not-In-Kind HFCs substitutes，in terms of their technical maturity，cooling efficiency，environmental and human safety requirement，etc. Conclusion shows，NIK materials have lower per unit cost，while the cooling efficiency of which is relatively low. Meanwhile，they have some safety risks in production. The overall NIK cost could be a little bit high. In-Kind materials have higher per unit cost，while the cooling efficiency is high. The overall cost could be low. While the shortcoming of IK materials is that most of their IP and patents are belonged to other country companies. The paper suggests NIK as HFCs substitute，may not have enough potentials than some study suggested. IK materials is the key area，where in future negotiation，more attention on financial and technological should be paid for.

Montreal Protocol and its Kigali Amendment，HFCs; Not-In-Kind HFCs substitutes

杜曉林，碩士，研究助理，主要研究氣候和環(huán)境政策

劉哲，博士，副研究員，主要從事氣候經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)、可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域的研究

X21

A

1673-288X(2016)06-0024-06

引用文獻(xiàn)格式：杜曉林 等.NIK類物質(zhì)作為HFCs替代物的可行性分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：24-29.