NIK类物质作为HFCs替代物的可行性分析

杜晓林 刘 哲

(环境保护部环境与经济政策研究中心，北京 100029)



NIK类物质作为HFCs替代物的可行性分析

杜晓林 刘 哲

(环境保护部环境与经济政策研究中心，北京 100029)

本文对IK和NIK两类替代物的特性及商业化应用进行对比分析，综合考虑两类物质所需工业技术、使用效率、对成本和环境的要求等。分析结果表明，NIK虽然具有较高单位使用量的成本优势，但是使用效率较低，且部分存在安全隐患，按照使用效率计算的成本较高，进而导致综合成本较高；IK的单位使用量成本较高，但是由于使用安全、高效，更具有综合成本优势，缺陷是NIK专利和技术大多数受到美国、欧洲、日本等发达国家控制。因此，本文得出结论认为，用NIK类物质替代HFCs的潜力不如预期大，会产生效率和成本的损失。目前来看，HFCs的替代物质还应以IK类物质为主，并需要在未来的谈判中，加强发展中国家对相关领域技术转让和资金支持的要求。

《蒙特利尔议定书》基加利修正案；HFCs;非相似替代物质和技术(NIK)

引言

随着《蒙特利尔议定书》(以下简称《蒙书》)HFCs修正案的签署和即将生效，发达国家和发展中国家分别确立了HFCs的减排路线图[1]。落实《蒙书》修正案，需要寻找新的替代物，以代替原有HFCs物质在制冷、空调、发泡等行业发挥的重要作用[2]。美国气候变化研究权威机构皮尤中心下属的气候变化与能源技术中心(C2ES)近日发布报告[3]指出HFCs替代物可分为“相似”(In-Kind，IK)和“非相似”(Not-In-Kind，NIK)两种，其中NIK更具有环境效益和市场优势。该报告认为，NIK替代物质、NIK回收和减排措施在《蒙书》框架下替代了85%的臭氧层消耗物质。NIK类物质来替代HFCs的潜力约为50%，考虑到发展中国家HFCs的使用量在基准情景下到2050年要增加80%，这一潜力是相当可观的。如果这种说法为真，则发展中国家减排和替代HFCs的前景是相对乐观的，但是否如此，需要谨慎的甄别和论证。如果NIK的替代前景并不如该机构预期，那么发展中国家在既定的HFCs减排路线图框架下，将付出更多的成本，来自发达国家的资金和技术支持就需要在此前基础上提高力度。本文分析了NIK类物质和技术的提出背景，并分别分析了NIK类替代物质的使用效率、所需要的外生技术条件、综合成本等问题，试图判断NIK类物质和技术替代HFCs的可行性。

1 NIK类物质作为HFCs替代物被提出的背景

制冷行业发展已久，最开始使用二氧化碳、乙醚、碳氢化合物等物质进行制冷[4]，其全球增温潜势(GWP)和臭氧潜势(ODP)都很低，不会对环境造成危害，但由于物质本身的属性以及技术限制，在实际实施层面具有不稳定性、效率低、成本难以控制等不利因素；随着经济技术的快速发展，出现了制冷性能较好、成本较低、效率较高的被称之为“氟利昂”的系列卤代烃化合物(包括CFCs、HCFCs等)，大大提高了制冷效率和工艺，但随着氟利昂的大量使用，含氯的氟利昂分子扩散到大气层中后分解出氯原子，氯原子可以催化分解臭氧分子，使得大气中臭氧层遭到破坏，出现臭氧空洞，因此被限制使用。

为保护臭氧层，制冷行业开始使用HFCs作为新一代臭氧层消耗物质(ODS)替代物，虽对臭氧层没有破坏作用，但他们又具有较高的GWP，会对全球气候变化产生显著影响。经过多年谈判，《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)和《蒙书》达成共识，将HFCs排放的报告和核查工作放在UNFCCC框架下进行，而HFCs的减排和替代工作，要借助《蒙书》的专长和优势，放在《蒙书》机制下完成。2016年10月15日，《蒙书》在卢旺达首都基加利，经过197个缔约方磋商与谈判，通过了旨在减少HFCs排放的《蒙书》修正案[5]，为全球消减HFCs制定了明确时间表。在新的国际背景趋势下，我国减排HFCs压力增大，HFCs替代品的选择成为接下来各国考虑的重点工作之一。未来的替代品选择需要满足的两个条件就是具有很低的ODP和很低的GWP值[6]。

HFCs替代物质可概括为NIK和IK两大类[7]，NIK包含“不含碳氟化合物的化学物质”和“非化学替代物”，后者主要指改进工艺流程等技术；而IK指“低ODP和低GWP的碳氟化合物”，具体见表1。本文主要讨论NIK中不含碳氟化合物的化学物质作为HFCs替代物的可行性。

表1 NIK和IK包含的物质种类

2 NIK物质的特性及应用

NIK和IK物质特性及应用可详见附表1和附表28。NIK中不含碳氟化合物的氨、二氧化碳、碳氢化合物、水、水雾、干粉、泡沫、惰性气体、甲酸甲酯等，这些物质与IK物质比较，在自然界中相对容易获取，大部分具有低可燃性，少部分具有可燃性，ODP和GWP趋近为零，安全指数相对较小，但也有具有毒性的物质，比如氨。IK物质无毒无害，也具有相对较低的安全系数，但部分物质具有较高的GWP。

在商业化应用方面，HFOs、HFOs和HFCs混合物已经在室内、工业、商业、空调制冷剂、发泡剂、等各行业展开了应用，但由于其效率明显不如HFCs，应用范围不是很广泛，目前多数在国内外也没有大规模的商业化应用，具有其局限性。NIK中不含碳氟化合物的物质，由于其历史发展时间久，有一定的基础使用经验，商业化用途较多，在室内、商业、工业、交通、空调等制冷行业有相对广泛的应用，但大规模的应用需考虑成本问题。

3 IK物质和部分NIK物质的技术可行性分析

通过附表1和2，对IK物质和部分NIK物质的商业化应用进行了统计分析，总结如下：

(1)HFOs：在工业制冷行业可代替HFC或HCFC等物质，可商业化应用于固定空调、冷却器、移动空调以及挤塑聚苯板塑料泡沫，尚未在室内制冷和商业制冷中应用。

(2)HFOs和HFCs混合物：在制冷行业有有限的商业经验，在空调使用中受限于安全标准和规范。

(3)HCs及HCs混合物的应用：基本在广泛的商业化使用，在不同行业的制冷剂设备和发泡剂中可广泛使用，在空调使用过程中由于可燃性的担忧用于小型设备的使用。

(4)氨：在工业制冷剂中广泛使用，但在商业制冷剂、空调、冷却器领域的使用限于小成本的冷却装置。若大规模使用则需考虑成本问题及毒性问题。

(5)二氧化碳：在发泡剂行业广泛使用，在商业制冷剂、工业制冷剂和交通制冷剂中只有有限的可用性，在空调行业目前处于调试和试验阶段。大规模的使用仍需考虑成本问题。

(6)水：可用于固定空调和冷却器，限于特殊的应用装置。

附表1 不同行业的IK低温室效应替代物列表

续附表1

附表1 不同行业的IK低温室效应替代物列表

安全级别：A1指低毒性、无可燃性；A2、A2L是低毒性、低可燃性，A3是低毒性、高可燃性，B1是高毒性，无可燃性，B2，B2L是高毒性，低可燃性，B3是高毒性，高可燃性；温室效应指数：根据UNFCCC AR5 100年升温潜势；资料来源：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 不同行业的NIK低温室效应替代物列表

续附表2

行业分类化学物质安全级别升温潜势应用(国别)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广泛商用，在发展中国家广泛应用氧化的HCs甲酸甲酯<25商用；升级增长；成分是易燃的，但泡沫系统企业混合使用后可降低，这对中小企业来说是个优势甲缩醛<25商用，缓慢提升二氧化碳CO21商用，广泛应用CO2withco-blowingagent1商用，广泛应用超临界二氧化碳1商用，在日本一家企业应用9挤塑聚苯板塑料泡沫HCs丙烷、丁烷商用，在日本被大型生产商广泛使用氧化的HCs甲醚商用；usedasco-blowingagent二氧化碳CO21商用，广泛应用于欧洲

安全级别：A1指低毒性、无可燃性；A2、A2L是低毒性、低可燃性，A3是低毒性、高可燃性，B1是高毒性，无可燃性，B2，B2L是高毒性，低可燃性，B3是高毒性，高可燃性；温室效应指数：根据UNFCCC AR5 100年升温潜势。

(7)氧化的HCs(甲酸甲酯、甲醚、甲缩醛等)：在发泡行业应用较多，但是使用过程中需要考虑其可燃性。

综上分析可知，IK物质其特性无毒无害，可燃性较低，相对安全，商业化使用经验有限，且缺少自主专利和知识产权；NIK中不含碳氟化合物的物质部分物质具有毒性，部分物质具有可燃性，具有较低的GWP和ODP值，在商业化应用中较为广泛，但在大规模使用中需要考虑综合成本问题。

4 结 论

制冷剂未来的发展趋势是选择清洁高效的技术9。NIK是最颇有潜力的HFCs替代品，在克服其不稳定性、毒性等方面的问题基础上，有着广泛的商业价值和使用价值，仍然需要重点考虑的是，这些物质的制冷技术成熟度和综合的生产成本问题。

低ODP值的HFCs、HFOs、以及HFOs和HCFC混合物等，具有相对较低的GWP值，无毒无害，且具有较高的制冷效率，成本较低，在商业化应用过程中具有较高的潜在价值，但是相关的核心技术知识产权使用费用将较为昂贵，且相关专利和技术大多数掌握在美国、欧洲、日本手中，交易成本也会较高。

因此，在大力发展IK技术以外，还应加强对NIK物质的进一步适用性研究来降低综合成本，扩充HFCs替代物的选择范围和成本优势。

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

[2]庞瑜，赵转军，廖琴，2016年2月，《蒙特利尔议定书》中国际臭氧消耗物质控排政策效果评述，世界科技研究与发展，第38卷第1期，兰州大学资环学院.

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

[4]陈光明，高能，朴春成. 2016.低碳制冷剂研究及应用最新进展[J].《制冷学报》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]吴克安，张建君，郑冬芳，2016年1月，中国ODS 替代品性能评价体系建设的研究，有机氟工业，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]郭辉，2013年9月，制冷剂对环境的影响及发展趋势，技术与创新管理，第34卷第5期，西安中体实业有限公司.

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

杜晓林，硕士，研究助理，主要研究气候和环境政策

刘哲，博士，副研究员，主要从事气候经济学、环境经济学、可持续发展等领域的研究

X21

A

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

引用文献格式：杜晓林 等.NIK类物质作为HFCs替代物的可行性分析[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：24-29.