标题:重新评价和认识氨工质在CFCs替代中的作用
作者：林康立
（扬子石油化工设计院 南京210048）
摘要：本文提出应重机关报评价和认识氨工质在CFCs替代中的作用，扩大氨工质的应用范围。文中针对氨工质的特性和优缺点，提出应用氨工质的安全对策和设计、制造中应注意的问题；并呼吁有关部门应在法规和规范上作出相应的修改和调整。
关键词：氨工质 CFC替代
1 概述
氨（Ammonia,NH3）-一种最常见的、最易取得的、廉价的无机化合物一作为制冷剂（R717）应用于制冷空调工程中已有120多年的历史。当前实施“可持续发展”战略，节能和环保则是两个极其重要的课题。制冷剂的应用和发展，百余年来，经历了由应用天然制冷剂，例如CO2、HCFCs、HFCs，而在当前，为了加强环保而又重新走向应用天然制冷剂的过程。
为了防止地球大气臭氧层进一步遭到破坏，为了减少具有温室效应的气体的排气，改善人类的生态环境，寻找氯氟烃（CFCs）的替代物质和替代技术已成为全球面临的一个重要而紧迫的课题，引起了整个国际社会的关注。当前国内国外的科技部门、研究机构、大型企业集团都在为寻找完美的（也可以说其ODP、GWP均为零）替代物质而切切实实地努力着。
国外业已推出了R123来替代R11；R134a来替代R12；并采用R22作为过渡性的工质。但从国内外发一的有关文章以及绿色和平组只所散发的宣传材料来看，R123、R134a的ODP虽然为零，但其温室效应的潜能指标GWP高达420。不仅如此，人们对于R134a比R12要低8-12％的制冷量；对于无法找到合适的润滑油与其共用，乃至认为R123、R134a仍有致癌的毒性和易燃性，而不甚满意。虽然也有许多非共沸的混合工质推出，但其中仍含有将被淘汰的R22的成分。
目前国内普遍能接受的过渡性工质HCFC-22美国有些企业推崇为当前危害最低（其ODP=0.05）、价廉而易取得的、热特性好的制冷剂。但从减少温室气体排放，防止全球气候变热的角度出发，R22的使全球变暖潜能值GWP=510，也不是完美的制冷剂。对于我国作为一个发展中的国家来说，所有国外研制的替代工质，例如R123、R134a、R407C等等，都有一个专利保护的问题，外国公司不可能低价转让给我国来大量生产，而向国外购买，不仅价格高而且受制于外国公司，对发展民族制冷空调事业不利。
从ODP、GWP这两项指标而言，氨应该说是一种于臭氧层无员，又无温室效应的效完美的“绿色”制冷剂。过去，氨的一些危害性被不恰当地夸大，尤其在民用或空调工程中的应用，受到了思想认识上和种种法规上的限制。近20年来，人们充分认识到保护大气臭氧层和减少温室效应气体排放的紧迫性，在寻找CFC、HCFC的替代物质和替代技术的过程中，国外相继重新评价和研究氨在制冷空调中的地位的应用。
也有学者呼吁，既然人类使用氨有一百多年的经验，在制造上也已十分进步和成熟，不妨也可以使用氨作CFCs的替代物质。我国的科研机构和大专院校在这方面却不能令人满意。笔者感到几乎所有的高等院校和科研机构，都单纯在氟利昂系列的圈子内，去研究和寻找CFC、HCFC的替代物。这方面的文章虽然也很多，但还未拿出国内自己品牌的替代物质，或已实用于制冷机中。
个别学者也提出过氨在新的形势下，应重新认识和扩大应用范围，但实际的研究工作却开展得很少。就拿利用余热的吸收式制冷来说，也具有明显的偏向：溴化锂吸收式制冷研究得很多，产品也很多；而能够制取零度以下的氨水吸收式制冷，却很少有人研究；有关氨介质的强化传热传质，也很少研究。可以说，氨的重新评价和扩大应用，迄今仍未能引起国内制冷空调界的关注，尚未见到重新评价和研究氨的安全应用、把氨工质应用于空调冷源工程上的有分量的文章。
2 氨的特性和特点
（1）氨的特性
氨是最容易取得的、价格低廉的无机化学品。氨，分子量M=17.03；沸点-33.42℃临界温度132.30℃；临界压力11.283MPa；自燃点651℃；熔点-77.75℃；其液相密度0.771kg/L。氨的火灾爆炸危险性，根据《建筑设计防火规范》规定，属于乙类；根据GB50058《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》规定，氨气属于IIAT1级组，也就是说，是最低的爆炸危险级组。氨的毒性，根据GB5044-85《职业性接角毒特危害程度分级》规定，属于IV级（轻度危害），最高允许浓度10mg/m3；根据TJ-79《工业企业设计卫生标准》规定：在厂房车间中，其最高允许浓度为30mg/m3；在民民区内，最高允许浓度为0.20mg/m3。氨无致癌的危险。氨在空气中的浓度达到5ppm时，即能闻到气味；氨比空气轻而容易逸至室外。
氨容易被水吸收而成为氨水，而水本身就是农田的肥料，流入土地有利无害。氨的价格仅为R22的一半不到，是R123、R134a的1/10-1/15。
（2）氨的特点
①氨作为制冷剂的优势
（a）氨的消耗臭氧潜能值ODP和使全球变暖潜能值GWP均为零。因此，氨是完全有利于环保的。这也是当前氨又被重新认识和评价的关键。
（b）氨的蒸发潜热大，单位质量制冷量、单位容积制冷量均大。也就是说，其COP值大。因此，它是一种节能的制冷剂。
（c）氨的来源广泛，价格低廉，氨压缩制冷机的制造经验成熟，制造成本低。使用氨为制冷剂的机组作为工业和空调的冷源是能节省一次投资和运行费用的。
（d）从利用余热出发，只有氨水吸收式制冷机可以制取0℃以下冷量。这是目前溴化锂吸收式制冷无法达到的唯一方式。
（e）氨的临界温度和临界压力为132.4℃及11.45MPa,高于R22(96.2℃/5MPa)和R134a(102℃/4.15MPa)。临界压力也高于R132（4MPa）。可以在较高的热源温度和冷源温度下实现热泵循环。
（f）氨的传热系数大，氨与润滑油无互溶性，氨油分离比较容易。这对于蒸发器和冷凝器而言，可以设计得更为紧凑。而且不会像氟利昂那样，因制冷剂溶有较多的润滑油而使制冷量减少和造成蒸发器液面波动。
（g）氨易溶于水，紧急排氨时，可用水冲，变成氨水排出。此外，氨中允许的含水量为0.2％以下，即使有水存在，由于与氨生成NH4OH，呈液体状存在，不会像氟利昂那样，形成“冰塞”。而且，浓氨水在蒸发器中，仍能蒸发制冷。只是在蒸发过程中，蒸发温度会变化和上升。含水10％，蒸发温度约上升0.3℃。因此，氨制冷的管路系统的干燥要求不如氟利昂那样严格。
(h)氨泄漏时，容易发现。氨的强烈的刺激性气味，令人生畏，限制了它的使用范围。但从另一角度看，即使有很少量的泄漏，也容易察觉到，可及时采取措施，避免发生重大事故。
表1 氨与其他常用制冷制的特性比较 制冷剂 分子式 类别 沸点℃ ODP （R11=1） GWP （CO2=1）
禁用与否 毒性燃烧 性 -15℃时的蒸发潜热（KJ/kg）
制冷系数COP R11 CCLF3 CFC 23.82 1 1500 是 低毒非燃 191.76 4.57
R12 CCL2F2 CFC -28.79
1 4500 是 低毒非燃 161.61 4.69 R22 CCLF2H HCFC -40.78 0.05
510 否 非毒不燃 217.29 4.75
R123 C2CL2F3H HCFC 27.81 0.02 29 否 有毒不燃 193.39 低于R11
R134a C2CF4H2 HFC -28.50
0 420 否 非毒有燃 209.46 低于R12 R717 NH3 无机 -33.40 0 0 -
有毒可燃 1312.56 4.84
②使用氨为制冷剂所存在的问题
（a）刺激性 试验表明：人对氨的气味有感觉的平均浓度为5ppm；人长时间暴露在浓度为6.25-25ppm的含氨空气中，对肺功能和呼吸道没有损害。
（b）毒性 我国将氨列为IV级有毒物质（轻度危害），最高允许浓度为10mg/m3。按美国ASHRAE标准34-78，氨列入安全性为第二类的制冷剂，规定直接蒸发式的氨制冷设备不得用于为人服务的空调系统中。当空气中氨的浓度达到5，000-10，000ppm，而在这人浓度下，人已感到了强烈的刺激，必然会采取必要的措施（通风换气、事故排风、寻找泄漏点、停车、紧急泄氨等等）。
（c）可燃可爆性 氨气与空气混合其体积比达到15-28％有可能发生爆燃。 表2列举了空气中氨含量对人体生理影响和爆炸极限（ppm与mg/m3）值，由表2可以看到氨的刺激性、毒性以及可燃可爆与浓度的关系。氨虽属于可燃可爆、有毒有害气体，但均在较轻度的范围内，如果处理得当，完全可以防止事故发生。
（d）腐蚀性 主要是解决氨用机器、设备和配管时的选材问题。由于氨的“避铜”的要求，对氨用换热传质设备来说，要采用强化传热管（一般均用铜制）就比较困难，因而，这也是目前需要研究的课题。
氨在以下情况对部分金属及合金有腐蚀：a.含微量O2和CO2的液氨对高强度钢的焊接部分有一定的腐蚀性，易发生裂缝；b.液氨对高镍铸铁、镍铜合金、铜合金（磷青铜除外）有腐蚀性，属C级，腐蚀率10.25mm/a；同样，氨水溶液对上述材料也有腐蚀性（C级）；c.1％氨水溶液对铜的腐蚀率为160mm/a；d.0.5％氨水溶液对铝的腐蚀率较小，为6.9~12.4mm/a；氨水对铝的腐蚀率更小，这＜0.013mm；e.浓氨水对钢的腐蚀率为0.08mm/a。
3 应用氨为制冷剂的安全对策
首先，应在认识上解决如何正确评价和应用氨工质的问题。过去，氨的毒性和可燃可爆性被人为地夸大和误解，导致夸大和误解的主要因素是氨确有强烈的刺激性气味。从表2上可知，正因为有强烈的气味，当浓度仅5ppm时，人们即可感觉到，即可采取措施；当浓度达到危及人的健康和生命时，其浓度是可闻到的浓度的几倍、几十倍、乃至上百倍。
要引起爆炸的浓度是感受到的上万倍。笔者认为，将氨工质应用于民用空调，设计中可采取下列措施： 表2
空气中含氨量对人体生理影响和爆炸极限 项目 ppm(V)
N(mg/m3) 备注 可以感觉到氨的气味的最低浓度 5 3.476 也有资料认为50ppm 长期停留为无害的最大浓度
6.25~25 4.3~17.43
有资料认为100ppm GB5044-85（职业性接触毒物危害程度分级）规定最高允许浓度 14.38
＞10 短期停留对人体无害时的浓度 300~500
209~348 强烈刺激鼻子和咽喉 408 284 刺激人的眼睛 698 486 引起强烈的咳嗽 1720
1196 短时间（30min）有危险 2500~4500
1740~3130 立即引起致命危险 5000~10000 3476~6953 环境允许浓度（工业企业设计卫生标准）
民用生活区 0.2876 0.2
工厂车间 43 30 点燃极限 下限 11.5％ 80000 日本资料 上限 27％ 187730
爆炸极限 下限 15％ 104300 中国资料《劳动卫生学》
上限 28％ 194700 爆炸下限与感受 ~30000倍
（1）采用集中供冷 将各建筑空调冷源集中起来，由氨制冷站供空调冷水给各用户。
（2）采用间接供冷 不采用直接蒸发式（即蒸发器与被冷却场所或物品直接接触，或将蒸发器放在回风道中）的氨制冷设备；而采取液氨蒸发-冷水降温的间接热交换或氨-盐水-空调冷水的间接热交换的模式。
（3）制冷装置露天化 氨压缩机房可以半露天化，外墙敞开（氨水吸收式制冷装置一般都是露天化的）。
（4）加强通风换气 氨机房应有机械通风换气和事故排风设施。事故排风机就采用防爆风机和电动机，防爆等级为ExIIAT1。正常换气次数6次/h；事故排风，应在原有的基础上，再加上8次/h,即间有14次/h以上的换气。而且，事故通风机的开关应装在进出机房的大门旁、方便操作处。有条件时，应设氨浓度报警并与事故排风机联锁。
（5）注意防震防泄漏 设备安装和配管中，应注意设备基础的防震，管道支架的稳固；采用2.5MPa以上的管道压力等级，采用氨用专门的阀门和法兰，注意法兰热片的品种和质量，在换阀门和法兰时，必须同时更换垫片。
（6）重视氨水吸收式制冷的应用 在热-电-冷三联供系统中，除用溴化锂吸收式制冷机组作为余热转换为冷量的设施外，好可以考虑用氨吸收式制冷来转换余热。氨吸收式制冷具有溴化锂吸收式制冷不可替代的特点：即能制取0℃以下级别的冷量。既然溴化锂机组可被誉为无公害的“绿色”冷源，那么氨吸收式制冷同样也是可以替代CFCs工质而成为无公害的“绿色”冷源。
为了扩大氨制冷的应用范围，对科研和设备制造的要求是：
（1）应进一步研制高效率的、无泄漏的氨压缩制冷机、氨泵、氨水泵以及氨用设备、容器和仪表。氨用设备均为压力容器，应符合国家对压力容器的监察要求。
（2）进行氨工质的强化传热传质的研究，使之缩小氨用设备，减轻重量，并实施小型化、机组化。一般蒸气型的氨水吸收式制冷装置，也完全应该在强化传热传质和提高精馏效率上下功夫，缩小设备尺寸，使“装置”变为“机组”。
（3）加强对氨用金属材料的研究，采用轻质的，高强度的，不渗漏的，而且在液氨、氨水中不腐蚀的材料，以减轻设备重量、强化传热传质。
对于学会或政府主管部门而言，应对国内外的氨用机器和设备的应用，氨的毒性、可燃性所引起的安全法规、规范和法律，加以重新研究、讨论。根据了新的研究的成果和实际调查结果，根据百年来应用氨工质的经验和教训，对氨工质可否用于民用空调工程，作为CFCs、HCFCs的替代物质以及应如何正确应用氨工质作出相应的补充和修改。
4 结束语
氨是一种公认的优良的制冷剂，尤其在当前，为可持续发展的需要，应用氨可以达到保护环境、节约能源的目的，应该扩大其应用领域。氨的应用已有百年的历史，应该说，对其优、缺点都有足够的认识。我们必须采用“战略上藐视”而“战术上重视”的思想，克服恐惧心理，对其所存的问题，认真地采取有效的措施解决。并应制订必要的法规制度，加强管理和培训，完全有可能将氨工质应用于民用空调在内的其他需要用冷的地方。
也期望科研、制造部门，在旨化传热传质上有所突破，使氨冷机组高效化，小型化，氨水吸收式制冷机组化，使用户用得放心，收到效果。
出版背景