Перспективы аммиака как хладагента

Аммиак (NH₃, R717) — природный хладагент с долгой историей применения в различных секторах холодильной индустрии. Накопленный специалистами огромный опыт эффективного и безопасного использования этого хладагента, его теплофизические характеристики, экологическая безопасность и доступность на рынке делают аммиак привлекательной альтернативой гидрофторуглеродам (ГФУ).

Преимущества и особенности аммиака

• низкие температуры кипения и замерзания при атмосферном давлении, высокая критическая температура в сочетании с высокой удельной теплотой парообразования делают аммиак подходящим хладагентом для использования в холодильных установках большой мощности;
• высокая удельная массовая производительность;
• экологическая безопасность — озоноразрушающая способность (ОРС) и потенциал глобального потепления (ПГП) аммиака равны нулю;
• огромный опыт применения – аммиак используется в качестве хладагента с 1872 года;
• доступность на российском рынке – Россия является крупным производителем и одним из ведущих мировых экспортеров аммиака, при этом в общем объеме производства, исчисляемом миллионами тонн в год, доля аммиака для применения в качестве хладагента относительно невелика;
• цена аммиака напрямую связана со стоимостью природного газа, даже при пиковых ценах на который аммиак остается в десятки раз более дешевым, чем ГФУ;
• ГОСТ 12.1.007-76 относит аммиак к 4-й группе опасности (малоопасные вещества), по классификации ASHRAE для хладагентов аммиаку присвоена группа B2L — токсичный, трудно горючий, поэтому обращение с ним требует подготовки и соответствующих мер безопасности, при этом:
  • за 150 лет использования аммиака как хладагента хорошо изучены все риски и определены методы его безопасной и эффективной эксплуатации;
  • аммиак токсичен, однако характерный запах позволяет обнаружить присутствие аммиака в воздухе задолго до того, как концентрация станет опасной; из-за едкого запаха присутствие людей в помещении становится невыносимым при содержании аммиака намного меньшем, чем концентрация, способная нанести серьезный вред здоровью;
  • с точки зрения горючести аммиак относится к той же группе опасности (2L), что и популярный ГФУ-хладагент R-32, а также многие гидрофторолефины (ГФО);
  • при утечке на открытом воздухе аммиак улетучивается, не достигая пожароопасной концентрации;
• в холодильных машинах, использующих аммиак в качестве хладагента, не могут применяться традиционные для холодильных систем материалы, такие как медь, цинк, олово и большинство их сплавов, а также некоторые виды резины и пластмасс;
• меньшая, чем у фреонов, текучесть и неспособность проникать в кристаллическую решетку черных металлов позволяют выполнять магистрали хладагента из более дешевой, по сравнению с медью и другими цветными металлами, стали;
• помимо парокомпрессионного цикла, аммиак может использоваться как хладагент в абсорбционном цикле охлаждения.

Область применения

Исторически аммиак применялся в качестве хладагента практически во всех сегментах холодильной индустрии: от бытовых холодильников и систем кондиционирования до холодоснабжения складов и промышленных процессов.

В настоящее время основная область применения аммиака как хладагента – холодильные машины большой мощности (от 1 МВт и выше). Аммиак используется как в собственно аммиачных холодильных машинах, так и в высокотемпературных контурах каскадных систем, хладагентом низкотемпературных контуров которых служит диоксид углерода (CO₂, R744).

Области применения аммиака как хладагента:

• Пищевая промышленность
  • Мясо-/птицеперерабатывающая отрасль
  • Молочная промышленность
  • Рыбоперерабатывающая отрасль
  • Производство замороженных полуфабрикатов
  • Производство безалкогольных и слабоалкогольных напитков
• Холодильное хранение
• Холодоснабжение спортивных объектов (ледовые арены, ФОКи, трассы для конькобежного, санного спорта, бобслея и т. д.)
• Нефтехимическая промышленность.

В качестве перспективных направлений применения аммиака как альтернативы ГФУ могут рассматриваться:

• Системы различного назначения с малой заправкой аммиака
• Системы кондиционирования общественных зданий, офисных и торговых центров
• Системы охлаждения (кондиционирования) центров обработки данных (ЦОД)
• Тепловые насосы для утилизации бросового тепла промышленных процессов.

Отдельного упоминания заслуживают водоаммиачные абсорбционные холодильные машины (АБХМ). В таких машинах отсутствует механический компрессор, его функцию исполняют абсорбер и термонасос. Для работы абсорбционного холодильника требуется источник тепла, нагревающий водоаммиачный раствор.

В настоящее время основная область применения АБХМ – промышленный холод, однако существуют успешные примеры бытовых холодильников, использующих этот принцип. Невысокий, по сравнению с традиционными решениями, холодильный коэффициент таких устройств, компенсируется простотой и надежностью конструкции, отсутствием шума и вибрации, а также возможностью использовать бросовую тепловую энергию, например, тепло выхлопных газов или технологических процессов.

Текущая ситуация

Использование в качестве хладагента — лишь одна из многочисленных областей применения аммиака в хозяйственной деятельности. При этом, в отличие от ГФУ, аммиак в России производится и даже экспортируется. По данным портала Fertilizer Daily в 2020 году Россия произвела почти 20 млн тонн безводного аммиака. Отправляя за рубеж примерно четверть от общего объема производства, Россия занимает второе место в мире среди экспортеров аммиака.

Обращение с аммиаком (то есть, использование, хранение, транспортировка аммиака, а также эксплуатация соответствующего оборудования) регламентируется множеством нормативных документов разного уровня: ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», ФНП «Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением», ФНП «Правила безопасности химически опасных производственных объектов», различные ГОСТы и т.д. Необходимость соблюдения огромного количества норм и правил может отпугивать некоторых заказчиков, делающих выбор между ГФУ и аммиаком.

Представление об аммиаке, как о токсичном веществе, также может являться сдерживающим фактором при рассмотрении возможности использования его как хладагента. Однако применение схем холодоснабжения с выносом холодильной машины из обслуживаемого помещения и использованием компрессорно-конденсаторных блоков, устанавливаемых вне здания, позволяет практически полностью исключить риск попадания аммиака в помещения, в которых находятся люди. Например, в описанной ниже каскадной холодильной установке холодопроизводительностью 16 МВт, смонтированной в Бресте (Беларусь), циркулирующий в системе аммиак не покидает компрессорный цех и в случае аварии не сможет попасть в помещения с персоналом.

Так как большинство материалов, традиционно используемых при изготовлении компонентов холодильного оборудования на фреонах (таких как ГФУ), плохо совместимы с аммиаком, для аммиачных холодильных машин требуется специальные компоненты.

За полтора столетия применения аммиака в качестве хладагента технологии производства компонентов аммиачных холодильных систем были хорошо отработаны. Некоторые компоненты для использования в холодильном оборудовании на аммиаке выпускаются российским производителями, однако серьезной проблемой остается отсутствие в России собственного производства холодильных компрессоров (как аммиачных, так и для любых других хладагентов).

Одним из ведущих мировых поставщиков решений, использующих аммиак в качестве хладагента, является компания GEA. Ей, в частности, принадлежат заводы по производству винтовых и поршневых компрессоров в Германии и Нидерландах.

На заводе GEA в России (Климовск, Московская область) выпускаются компрессорные агрегаты и чиллеры со степенью локализации до 60%. Высокая степень локализации обеспечивается за счет применения российского металлопроката, произведенных в России труб, фитингов, кабелей, электродвигателей, контрольно-измерительных приборов и автоматики, емкостного оборудования.

Пути решения проблем

Перевод холодильного оборудования там, где это возможно, на природные хладагенты, в том числе – аммиак, представляется разумным путем решения проблем, вызванных ограничением доступного объема ГФУ на рынке и ростом их цены.

Содействовать такому переводу могли бы следующие меры:

• Анализ использования ОРВ и ГФУ в различных секторах холодильного оборудования Российской Федерации и разработка стратегии перехода холодильной техники на доступные в России альтернативные хладагенты в тех секторах, где это технически возможно и экономически обосновано. Подобная стратегия реализуется в Европе в соответствии со статьей 11 Регламента ЕС №517/2014;
• Организация собственного производства оборудования на альтернативных хладагентах;
• Смягчение требований в отношении использования, транспортировки и хранения емкостей с малым количеством аммиака, а также эксплуатации систем с малой заправкой аммиаком;
• Организация программ переподготовки для специалистов холодильной отрасли и учащихся профильных вузов с учетом того, что альтернативные хладагенты (аммиак, диоксид углерода, углеводородные хладагенты) требуют других навыков и знаний.

Распространение технологии

Благодаря своим теплофизическим свойствам аммиак на протяжении многих лет остается «хладагентом выбора» для сегмента промышленного холода – холодильных систем мощностью более 1 МВт. Рост озабоченности проблемами сохранения озонового слоя и сокращения парниковых выбросов способствует еще большему распространению аммиака как хладагента и расширению области его применения.

В Европе распространению аммиака и других природных хладагентов способствует Регламент по Ф-газам, предусматривающий отказ от хладагентов с высоким ПГП в тех отраслях, где для их существуют экологически безопасные альтернативы.

По данным исследования, представленного на конференции ATMO Asia в феврале 2014 года, доля аммиачных холодильных установок в Европе оценивалась в 40% (в сегменте промышленного холода их доля достигает 90%, в легком коммерческом сегменте – 25%).

В России и странах СНГ также растет количество реализованных и готовящихся к реализации проектов с использованием аммиака, среди которых можно отметить следующие:

Холодильный комплекс для рыбы и морепродуктов, СП «Санта Бремор», Брест (Беларусь)

• Назначение: холодоснабжение процессов глубокой (шоковой) заморозки и охлаждение, создание комфортного микроклимата на производственных площадях
• Оборудование: каскадная система аммиак/диоксид углерода
• Холодопроизводительность: 16 МВт

Мясоперерабатывающий комплекс АПХ «Мираторг» в г. Брянске

• Назначение: поддержание режима в производственных помещениях, камерах хранения и заморозки с температурами от +3 до -35°С
• Оборудование: винтовые и поршневые компрессорные агрегаты для работы на аммиаке, фреоне и CO₂, испарительные конденсаторы, пластинчатые теплообменники, потолочные воздухоохладители, сосуды и другое оборудование.
• Холодопроизводительность: более 10 000 кВт (суммарная), температура конденсации +35°С, кипения — до -41°С.

«Белая Дача», Липецкая область

• Назначение: холодоснабжение туннельного фризера (16 тн/час) и высотного автоматического склада готовой продукции
• Оборудование: четыре винтовых и три поршневых компрессорных агрегата, испарительные конденсаторы, воздухоохладители, теплообменники, сосуды, насосы хладагента, оборотной воды, пропиленгликоля, арматура, силовые щиты и щиты управления, вспомогательное оборудование, монтажные материалы.
• Холодопроизводительность: винтовые агрегаты — 3400 кВт при температуре кипения аммиака -35°С и температуре конденсации +35°С, поршневые — 2000 кВт при температуре кипения аммиака -5°С и температуре конденсации +35°С.

Санно-бобслейная трасса, г. Сочи

• Назначение: подготовка льда для санно-бобслейной трассы протяженностью 1814 метра
  Оборудование: 4 винтовых компрессорных агрегата для работы на аммиаке, испарительные конденсаторы, пластинчатые теплообменники, осушитель аммиака, воздухоотделитель, сосуды объемом до 96 м³ и другое оборудование.
• Холодопроизводительность: 4 180 кВт, температура кипения хладагента -15°С, конденсации +30°С.

Производство генераторов жидкого льда, Мурманск (проект)

• Назначение: изготовление жидкого льда для предприятий рыбной отрасли
• Оборудование: генераторы отечественного производства на аммиаке