一文横跨200年,带您领略中国制冷剂大国典范

平头哥了解到,根据《蒙特利尔条约》规定,发达国家要求在2020年1月1日起,全面停止使用制冷剂R22,发展中国家要求在2030年停止使用。对于中国来说,将在2030年1月1日起全面禁止使用R22制冷剂。

制冷剂R22是氟利昂家族的一员,属于含氯卤代烃(简单理解就是分子结构“CHF2Cl”里含了“氯(Cl)”元素,也就是84消毒水发出来那股怪味儿的主要成分)。由于这种制冷剂对臭氧层具有很大的危害,根据《蒙特利尔条约》规定,从2016年就开始逐渐冻结生产。

平头哥不仅了解到,2018年12月24日,生态环境部发布了《2019年度含氢氯氟烃生产和使用配额、四氯化碳试剂及助剂使用配额、含氢氯氟烃进口配额核发方案的公示》,其中2019年二氟一氯甲烷(HCFC-22)生产配额由2018年的274279吨减少为266821吨。平头哥与行业内人士了解到,2020年生产方案将在2020年1月中旬前后公示,届时生产配额将会继续减少,为了履行《蒙特利尔条约》要求。

图1:中国签署《蒙特利尔条约》现场
平头哥再次深扒,《蒙特利尔条约》又称为《蒙特利尔议定书》,是1987年在联合国环境规划署倡导下许多国家的政府就共同制止臭氧层的耗竭而在加拿大的蒙特利尔签订的一项条约。该议定书在前言中指出,有关消耗臭氧层物质生产和使用过程中的排放对臭氧层破坏产生直接的作用,因而对人类健康和环境造成了较大的负面影响。基于预防审慎原则,国际社会应采取行动淘汰这些物质,加强研究和开发替代品。这里特别指出有关控制措施必须考虑发展中国家的特殊情况,特别是其资金和技术需求。
图:全球各国对蒙特利尔条约的实施计划
看到这里,平头哥不禁产生疑问,全球制冷发展百年,为何已到全球“禁足”的尴尬境地,制冷剂行业发生了什么?在此,平头哥对全球制冷剂行业进行了百年回顾,以求寻找真相,为新兴行业提供经验借鉴。
制冷剂是一种在制冷机中完成热力循环的工质,它在低温下吸取被冷却物体的热量,然后在较高温度下转移给冷却水或空气;目前主要用于家用空调、车用空调和冰箱等领域,至今已有四代产业升级。
一、全球制冷剂发展史回顾
图2:1805年的埃文斯
1805年埃文斯(O.Evans)原创作地提出了在封闭循环中使用挥发性流体的思路,用以将水冷冻成冰。他描述了这种系统,在真空下将乙醚蒸发,并将蒸汽泵到水冷式换热器,冷凝后再次使用。
1834年帕金斯第一次开发了蒸汽压缩制冷循环,并且获得了专利。在他所设计的蒸汽压缩制冷设备中使用二乙醚(乙基醚)作为制冷剂。
十九世纪中叶出现了机械制冷。雅各布.帕金斯(JacobPerkins)在1834年建造了首台实用机器。它用乙醚作制冷剂,是一种蒸气压缩系统。
图X:由JacobPekins发明的蒸汽压缩制冷循环技术
二氧化碳(CO2)和氨(NH3)分别在1866年和1873年首次被用作制冷剂。其他化学制品包括化学氰(石油醚和石脑油)、二氧化硫(R-764)和甲醚,曾被作为蒸气压缩用制冷剂。
二十世纪初,制冷系统开始作为大型建筑的空气调节手段。位于德克萨斯圣安东尼奥的梅兰大厦是第一个全空调高层办公楼。
图3:当时的梅兰大厦
1926年,托马斯.米奇尼(ThomasMidgely)开发了首台CFC(氯氟碳)机器,使用R-12.CFC族(氯氟碳)不可燃、无毒(和二氧化硫相比时)并且能效高。该机器于1931年开始商业生产并很快进入家用。
图4:当时的托马斯.米奇尼
1930年代出现了—氯氟烃CFCs与含氢氯氟烃HCFCs制冷剂。1930年梅杰雷和他的助手在亚特兰大的美国化学会年会上终于选出氯氟烃12(CFC12,R12,CF2CI2),并于1931年商业化,1932年氯氟烃11(CFC11,R11,CFCI3)也被商业化,随后一系列CFCs和HCFCs陆续得到了开发,较终在美国杜邦公司得到了大量生产成为20世纪主要的雪种。
20世纪30年代,一系列卤代烃制冷剂相继出现,杜邦公司将其命名为氟利昂(Freon)。这些物质性能优良、无毒、不燃,能适应不同的温度区域,显著地改善了制冷机的性能。几种制冷剂在空调中变得很普遍,包括CFC-11.CFC-12.CFC-113.CFC-114和HCFC-22.20世纪50年代,开始使用共沸制冷剂。
到1963年,这些制冷剂占到整个有机氟工业产量的98%。到1970年代中期,对臭氧层变薄的关注浮出水面,CFC族物质可能要承担部分责任。从此,人们对制冷剂的认识开始加入环境因素,对制冷的生产类型及形态进行了严格的区分。从1987年蒙特利尔议定书的通过,标志着全球制冷剂行业步入了产业升级的快车道。
图5:当时的杜邦
二、全球四代制冷剂类型发展史回顾

第一代制冷剂一般是指CFC(氟氯烷烃)类物质,代表产品包括CFC-11(R11),CFC-12(R12)。1977年英国科学家发现了南极上空的臭氧空洞,并对其展开了一系列研究,最终得出结论,认为广泛使用的氟氯烷烃(CFCs)制冷剂是破坏臭氧层的主要原因之一,从而引出了1987年颁布的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。这是全世界联合起来共同应对气候变化的一个成功的国际合作协议,其主要内容就是通过逐步淘汰破坏臭氧层物质氟氯烷烃(CFCs)的使用来保护臭氧层和大气环境。

议定书中以臭氧层消耗潜值(ODP)和全球变暖潜值(GWP)作为衡量制冷剂环保性的标准。ODP以R11的臭氧破坏影响作为计算标准,制定R11的ODP值为1,其他物质的ODP是相对于R11的比较值。GWP规定CO2为参照气体,设定其气候变暖潜值为1,而其他物质的GWP均以CO2为参照物质进行比较得出其GWP数值。
第二代制冷剂是用于取代CFC的HCFC(氢氟氯烃),最具代表性的产品为人们所熟知的HCFC-22(R22)。R22几乎与第一代制冷剂同时问世,被广泛应用于空调,冷冻,发泡等行业,其他的代表性产品包括HCFC-142b(R142b)和HCFC-141b(R141b)相较于CFC,HCFC的ODP值更低,然而由于其基数非常大,年消耗量达上百万吨,发达国家已经淘汰了HCFC的使用;而发展中国家也已于2015年启动相关淘汰进程。这一淘汰过程计划于2030年完成,但预计可能提前完成淘汰。
第三代制冷剂是HFC(氢氟烃),以HFC-134a(R134a),HFC-410a(R410a)及HFC-245fa(R245fa发泡剂)为代表,其ODP值为零。凭借着优秀的能效与环保特性,HFCs自推出后在空调、制冷、发泡等行业得到了迅速且广泛的应用。但是,近年来,全球气候变暖的危害日益成为焦点,被《京都议定书》列为六种温室气体来源之一的HFCs也逐渐成为众矢之的。尽管HFCs占温室气体排放总量的比例并不高只有5%左右,但由于其全球变暖潜能值(GWP)是CO2的几百甚至数千倍,且随着HCFC的淘汰,其消耗量急剧增加,从而使其危害得到了全球的高度关注,发达国家纷纷倡导淘汰HFC的使用,开发下一代低GWP制冷剂。
为了减少HCFC制冷剂对全球环境的影响,北美三国、欧盟、印度等先后提出了对蒙特利尔议定书的修正案,而欧盟也颁布了含氟气体指令(F-gasDirective)和车用空调指令(MACDirective),并制定出淘汰高GWP值制冷剂的时间表,进而推动新一代制冷剂,即零ODP、低GWP制冷剂的发展。随即在2015年巴黎气候大会各方达成目标,将加强对气候变化威胁的全球应对,把全球平均气温较工业化前水平控制在2摄氏度之内。在此之前,早在2006年,欧盟委员会已经颁布了第一份针对F-gas的法规:EUDirective2006/40/EC。在这份文件中指出自2011年1月1日起,所有在欧盟销售的新车型,在车用空调中使用的制冷剂其GWP值必须小于150。自2017年1月1日开始,所有新出厂车型必须使用GWP不大于150的制冷剂。2014年欧盟又颁布了新一版的F-gas法规2014/517/EC,明确了对三大主流HFC制冷剂的限制R404A-自2020年1月1日起,商业冷冻将禁止使用GWP高于2500的制冷剂R410a-自2025年1月1日起,单元空调将禁止使用GWP高于750的制冷剂。R-245fa-自2023年1月1日起,聚氨酯硬泡将不再使用GWP高于150的发泡剂。
第四代制冷剂主要是指HFOs制冷剂,氢氟烯烃(HFOs)代表产品包括R1234ze和R1234yf。两类制冷剂都拥有零ODP值和极低的GWP值。氢氟烯烃(HFOs)兼备卓越的性能与环保性而受到了广泛的关注并被成功应用。
但由于当前HFOs制冷剂本身的高成本以及对相关专利和设备成本的提升,其发展仍然处于起步阶段。当前新型碳氢天然质制冷剂(HCs),如R600a和R290等制冷剂也得到推重;主要原因是HCs天然工质制冷剂具备非常好的环境友好性且制造成本相比化学合成工质制冷剂较低,其原料廉价易得,但是考虑到其可燃的物理性质,许多潜在用户依旧采取了观望态度。
当前HCFC制冷剂的最终替代方案出现了两个主要方向,一种是以欧洲国家和韩国为代表,其主张采用天然质作为替代物,如R290、R1270、R744、R600a、R600、R717等。另一种以美国和日本为代表采用化学合成工质的零ODP、低GWP制冷剂。但是当前处于制冷剂产品的过度期HFCs制冷剂依然在用量上占主导地位。
图6:四代制冷剂产品基本情况

三、中国制冷剂行业发展史回顾

中国第二代制冷剂走向淘汰,第三代制冷剂面临管制。中国的制冷剂使用,很大一部分家用制冷设备还是停留在第二代的R22,但是随着HCFCs的淘汰进程,第三代HFCs制冷剂包括R410a和R134a等正在逐渐成为主流。当前我国冷库、冷柜中以R22、R404a和R134a为主流制冷剂,2016年中国的连锁百强超市签订了让R22逐步退出的协议,但是替代过程只是起步阶段,R22的应用依然很多,且中国大部分超市在用R404a,但是在欧洲其替代型制冷剂已经过度到R290、R600a和CO2。

对于R290等天然质制冷剂中国还处于少量使用和推广阶段。究其缘由,一方面是对于易燃的天然质制冷剂安全性上的考虑,另一方面是由于中国HFCs对HCFCs的过渡替换还未完成,并且时间上距离履行《蒙特利尔议定书》中的淘汰时间还比较充裕,一些供应商和使用者并未切实感受到来自政策上的明显压力。而对于中国当前汽车市场的制冷剂应用,R134a是当前主流。但是迫于2025年启动的“基加利修正案”,HFOs在汽车制冷剂领域在未来的应用也是不可避免的。
具体到政策替代进度,HCFCs制冷剂中的主要产品R22作为建筑空调和冷冻冷藏用制冷剂,长期占据着主导地位。但由于臭氧层破坏和全球变暖的重要影响,《蒙特利尔议定书》对R22制冷剂的禁用期限做出了明确的规定。根据规定,我国必须在2030年完成生产量与消费量的淘汰,其中到2015年削减10%,到2025年削减67.5%,2030年至2040年除保留少量(大概2.5%)维修用途外将实现全面淘汰。(以2009-2010年总产量的平均值作为基线)根据《蒙特利尔议定书》要求,中国承诺在2030年全面淘汰HCFC生产及消费。
中国自2013年开始已经对R22等HCFCs的消费和生产实施配额制,并设置了高额的产能准入门槛,制冷用HCFCs配额从2013年的30.8万吨逐步削减到2015年的27.4万吨。2015年4月23日,作为我国首批关闭HCFCs生产线的企业之一的杭州富时特化工有限公司拆除了其年产1.5万HCFC-141b生产线,对生产线的关键设备进行了破坏性销毁。
这标志着中国为实现《蒙特利尔协定书》在2015年削减含氢氯氟烃(HCFCs)生产基线水平10%的履约目标,正式进入HCFCs生产淘汰的实质性履约阶段。环保部于2014年通过公开招标,选择5家生产企业签署了关闭HCFCs生产线淘汰补偿合同。
将关闭和拆除5条HCFC生产线,共计淘汰HCFC生产配额58864吨,淘汰相应的生产能力8.8万吨每年。2016年随着HCFC制冷剂淘汰进程的进一步推进,HFCs产品已经加快对HCFCs产品进行替代并在趋势和关注度上逐渐成为了当前市场的主流。
为完成《蒙特利尔议定书》削减目标,中国环保部已经从2015年度对含氢氯氟烃使用配额进行削减,总量相比2010年削减10%。全球制冷剂需求量的38%来自中国,65%的制冷剂产能在中国,作为全球最大的制冷剂生产国和消费国,中国为削减HCFCs付出的努力对全球影响巨大。
截至2019年底(发稿日),中国计划在工商制冷领域采用的制冷剂GWP平均值将降至300。平头哥认为,中国作为全球最大的制冷剂生产国和消费国,中国在绘制一幅更为可持续发展的路线图的同时,面临巨大挑战。中国淘汰HCFC的计划将驱动更多亚洲经济体更加广泛地采用天然制冷剂。中国树立大国典范,必将以身作则,为创造全人类的赖以生存的环境付出更多的努力。
(0)

相关推荐