脫硝催化劑領(lǐng)域?qū)＠y(tǒng)計(jì)分析及國內(nèi)技術(shù)近況

袁長富 張忠營 李微

（中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院 遼寧撫順 113001）

摘 要：脫硝催化劑是選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)的關(guān)鍵，該文對SCR脫硝催化劑技術(shù)的國內(nèi)外專利申請進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果表面SCR脫硝催化劑技術(shù)共經(jīng)歷了三次技術(shù)周期，日本企業(yè)在脫銷催化劑領(lǐng)域擁有核心技術(shù)，同時(shí)對我國在該領(lǐng)域的專利技術(shù)現(xiàn)狀做了歸納和總結(jié)，介紹了我國在該領(lǐng)域的最新技術(shù)進(jìn)展，并對我國SCR脫硝催化劑技術(shù)的發(fā)展提出了建議，政府應(yīng)積極培育企業(yè)的創(chuàng)新能力，改變申請人的結(jié)構(gòu)類型，促進(jìn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的協(xié)同創(chuàng)新，逐漸使企業(yè)成為掌握SCR催化劑核心技術(shù)的主體。

關(guān)鍵詞：SCR催化劑 專利申請 專利技術(shù) 技術(shù)近況

中圖分類號：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0023-03

氮氧化物是鍋爐和內(nèi)燃機(jī)排放氣體中的主要有害物質(zhì)之一，氮氧化物對環(huán)境和人體健康有許多危害，是形成酸雨的重要污染物，與碳?xì)浠衔锟尚纬晒饣瘜W(xué)煙霧。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，化石能源尤其是煤和石油的消耗量大幅增加，大氣中氮氧化物的污染在日益加劇，與此同時(shí)，人民群眾要求改善環(huán)境的呼聲日趨高漲。因此如何實(shí)現(xiàn)氮氧化物的有效減排，成為一個(gè)亟待解決的問題。開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SCR催化劑，打破國外的技術(shù)壟斷，對于我國SCR脫硝工藝的應(yīng)用具有重要意義。該文以SCR（SCR，Selective Catalytic Reduction）脫硝催化劑技術(shù)在全球的專利申請數(shù)據(jù)為樣本，分析了SCR催化劑的全球?qū)＠暾埱闆r和國內(nèi)專利技術(shù)現(xiàn)狀，為該行業(yè)的發(fā)展提供一定的借鑒和指導(dǎo)。

1 SCR催化劑專利申請情況分析

專利文獻(xiàn)與其他科技情報(bào)相比，具有科技信息量大、信息及時(shí)和能夠精確反應(yīng)科技發(fā)展動(dòng)態(tài)和發(fā)展方向等特點(diǎn)。利用專利文獻(xiàn)，可以精確地掌握同行業(yè)的技術(shù)動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢。為此，我們采用全球知名的專利檢索數(shù)據(jù)庫Thomsoninnovation進(jìn)行專利檢索。檢索采用關(guān)鍵詞和分類號相結(jié)合的方式進(jìn)行，檢索年限自1956年起，最終檢索日期為20130703。檢索方式采用機(jī)檢和人工篩選相結(jié)合的方式，最終確定3426專利族，以此作為分析的樣本。由于專利申請公開滯后的原因，檢索到的2012年和2013年的該領(lǐng)域?qū)＠暾埩繑?shù)據(jù)有所減少。

1.1 專利申請時(shí)間分布

圖1顯示了1956年至2013年間世界范圍內(nèi)SCR催化劑技術(shù)專利申請量和申請人數(shù)量的時(shí)間分布情況。從圖1可以看出，SCR技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)中期，在1973-1977年產(chǎn)生第一個(gè)申請量高峰，在1991-1998年產(chǎn)生第二個(gè)申請量高峰，2008年到現(xiàn)在產(chǎn)生了第三個(gè)申請量高峰，目前正處在第三個(gè)申請量高峰周期的上升階段。圖1中3個(gè)不同的申請量高峰期也代表了SCR技術(shù)的三個(gè)技術(shù)生命周期。第一個(gè)技術(shù)生命周期在1975年前后，是日本首次將該技術(shù)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用時(shí)期。第二個(gè)技術(shù)生命周期在1995年前后，是歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用該技術(shù)的時(shí)期。第三個(gè)技術(shù)生命周期是以中國為代表的發(fā)展中國家注重環(huán)保，大規(guī)模應(yīng)用環(huán)保技術(shù)的時(shí)期。圖1中申請人數(shù)量的時(shí)間分布趨勢同專利申請量的時(shí)間分布趨勢相同。每個(gè)技術(shù)生命的黃金時(shí)期，均會吸引眾多的科研人員和科研機(jī)構(gòu)積極參與SCR技術(shù)的研究。相比前兩次生命技術(shù)周期，目前處于的第三次技術(shù)周期申請人數(shù)量的增加量多于專利申請的增加量。說明了目前雖處于第三個(gè)技術(shù)周期的上升階段，但平均每個(gè)申請人的創(chuàng)新能力低于前兩周期，市場主體的創(chuàng)新能力總體呈波動(dòng)下降趨勢。這是由于本領(lǐng)域在經(jīng)過長期研發(fā)之后，在找到新的突破之前，創(chuàng)新的難度增加，每個(gè)市場主體的創(chuàng)新能力減弱。但技術(shù)入門的難度下降，進(jìn)入該領(lǐng)域的市場主體數(shù)量增加。但不可否認(rèn)SCR催化劑日益顯示出巨大的技術(shù)和市場增勢，該領(lǐng)域的科研也越加活躍。

圖2為1956年至2013年間中國、歐洲、美國、日本、韓國專利申請量的時(shí)間分布。通過圖2可知，中國、歐洲、美國、日本、韓國是SCR催化劑技術(shù)研究最活躍的國家和地區(qū)，來自上述國家和地區(qū)的SCR催化劑技術(shù)專利申請占了該領(lǐng)域全球?qū)＠暾埧偭康?0%以上。其中，20世紀(jì)兩次技術(shù)周期本領(lǐng)域的專利主要由日本人申請，申請量高峰都主要為日本申請人的貢獻(xiàn)，這表明了日本申請人在SCR催化劑技術(shù)領(lǐng)域具有絕對的優(yōu)勢，SCR催化劑技術(shù)的原始創(chuàng)新大部分來源于日本。圖3為全球申請量前20名申請人情況，前4名均為日本企業(yè)，前10名中日本企業(yè)占據(jù)9個(gè)席位。但是從圖2也可以看出，本世紀(jì)后，日本申請人申請量下降明顯，歐洲、美國、中國、韓國申請人的申請量逐漸增加，特別是目前處于的第三個(gè)申請量高峰階段，主要是中國申請人的貢獻(xiàn)。這得益于中國政府出臺的環(huán)保法規(guī)以及公眾對環(huán)境保護(hù)的日益重視，使得大量科研機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)投入到SCR催化劑的研究中，導(dǎo)致該領(lǐng)域中國專利申請量的猛增，相反在發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，本領(lǐng)域技術(shù)相對成熟，加上國外經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度降低，特別是幾次經(jīng)濟(jì)危機(jī)和金融危機(jī)的影響，發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對本領(lǐng)域的研發(fā)投入較少。此外，中國的專利政策也是促進(jìn)中國專利申請人申請專利的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

1.2 申請人的類型分布

圖4顯示了SCR催化劑技術(shù)中國、歐洲、美國、日本、韓國專利申請的申請人類型分布情況，申請人類型分為企業(yè)、高校、科研單位、個(gè)人及合作。可以看出該領(lǐng)域中國專利申請的申請人即創(chuàng)新主體主要是高校，所占比例可達(dá)50%以上，企業(yè)較少，所占比例不足20%。相反，歐洲、美國、日本、韓國在該領(lǐng)域?qū)＠暾埖膭?chuàng)新主體主要為企業(yè)，企業(yè)申請專利量占申請總量的比例均高于70%，最高的日本甚至達(dá)到了90%以上。以上說明中國在SCR催化劑領(lǐng)域的研發(fā)仍處于初期階段，技術(shù)成熟度較低，市場主體的企業(yè)對本領(lǐng)域技術(shù)掌握不充分，沒有充分介入市場競爭中，而以企業(yè)為創(chuàng)新主體的發(fā)達(dá)國家和地區(qū)技術(shù)的成熟度相對較高。但是從另一側(cè)面也可以說，在SCR催化劑領(lǐng)域中國市場上企業(yè)具有更廣闊的發(fā)展空間。

1.3 專利申請方案的技術(shù)-功效分析

通過收集整理分析，筆者對國內(nèi)外SCR催化劑專利文獻(xiàn)按技術(shù)和功效不同進(jìn)行了分類。技術(shù)分類包括催化劑配方、形狀、制備、材料、再生、其他六類技術(shù)分支；功效分類包括提高活性、拓寬活性溫度范圍、提高選擇性、同時(shí)脫硫脫氮、提高耐受性、三效催化劑、低成本、其他八類功效分支，具體如表1所示。通過表1可以看出，本領(lǐng)域中催化劑的功效分支中主要為提高催化劑的活性和耐受性，申請量分別為611件和255件，約占統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的52%和22%。這是由于脫硝的基本要求是排氣中氮氧化物低于100 mg/m3，穩(wěn)定地達(dá)到該技術(shù)要求，活性是基礎(chǔ)，耐受性是保證。因此，上述兩個(gè)技術(shù)功效的專利申請量占總申請量的比較大。本領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)分類主要集中在催化劑配方的技術(shù)分支上，申請量高達(dá)906件，約占統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量的84%，其次為催化劑材料技術(shù)分支，其余技術(shù)分支的專利數(shù)量比例大至相當(dāng)。這與本領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)相對應(yīng)，在本領(lǐng)域中，催化劑是多組分的有機(jī)配合綜合體，不同組分、不同的配合方式等，是本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)內(nèi)容之一，并且此類技術(shù)方案的技術(shù)成果易于獲得較強(qiáng)的專利保護(hù)，因此技術(shù)創(chuàng)新主體申請的專利多集中于該技術(shù)分支。催化劑制備技術(shù)分支也是本領(lǐng)域的重點(diǎn)研究內(nèi)容，但由于此類技術(shù)內(nèi)容申請專利后，其專利保護(hù)效力沒有催化劑配方專利的專利保護(hù)效力強(qiáng)，因此市場主體選擇的專利策略是以配方申請專利保護(hù)，以制備技術(shù)為技術(shù)秘密的綜合知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)策略。另外從整體上提高催化劑的功效主要是通過催化劑配方的技術(shù)分支得以實(shí)現(xiàn)，通過配方技術(shù)分支來提高功效的申請量達(dá)到906件，約占統(tǒng)計(jì)樣本的78%。

2 SCR催化劑國內(nèi)專利技術(shù)現(xiàn)狀

通過分析國內(nèi)專利文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，近年來我國申請人的申請總量很大，但是并不集中，而是分散于許多不同的申請人手中，人均申請量較少，無法形成有效的專利布局。如我國SCR催化劑技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶傲械恼憬髮W(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)，累計(jì)申請量也僅為19件、17件和12件。此外，從技術(shù)方案上看，我國申請人的該領(lǐng)域?qū)＠暾埗酁閷ΜF(xiàn)有技術(shù)的小改進(jìn)，特別是SCR催化劑制備方法及各組分配合和配比方面的改進(jìn)所占的比重明顯偏高，這說明我國在SCR催化劑領(lǐng)域缺少原創(chuàng)開拓性的專利申請，技術(shù)含量相對較低。

與此同時(shí)，我們也應(yīng)該注意到，雖然我國申請人在整體的技術(shù)水平上與國外申請人仍存在較大的差距，但是隨著我國在此領(lǐng)域的技術(shù)儲備和沉積，我國申請人在SCR催化劑技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新上也不乏亮點(diǎn)。趙東元等[1]利用納米自組裝技術(shù)制備了介孔沸石分子篩材料。復(fù)旦大學(xué)研究人員利用固相納米澆鑄（Nanocasting）和原位生成技術(shù)將活性組分組裝到上述介孔沸石分子篩的孔道中，研發(fā)成功了適用于500 ℃高溫?zé)煔饷撓醯拇呋瘎?，突破了國外技術(shù)在煙氣脫硝領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。董長青等[2]創(chuàng)新性地將石墨烯技術(shù)應(yīng)用到SCR催化劑的制備中。自行研制出MnO2-TiO2石墨烯-多孔無機(jī)陶瓷膜低溫脫硝催化劑并掌握了板式SCR脫硝催化劑的關(guān)鍵制備技術(shù)[3-[5]，打破了國外對板式SCR脫硝催化劑的技術(shù)封鎖，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的成套板式脫硝技術(shù)。中國石化撫順石油化工研究院在國內(nèi)率先研制了適用于催化裂化煙氣脫硝的蜂窩狀SCR催化劑[6-7]。該催化劑以納米二氧化鈦為載體，V、W金屬作為催化劑活性組分，采用直接擠出成型方法制備，具有良好的脫硝活性，強(qiáng)度明顯優(yōu)于國外參比劑，催化活性和選擇性達(dá)到國外參比劑的先進(jìn)水平。上述催化劑在中石化建成的國內(nèi)首套工業(yè)化催化裂化煙氣脫硝成套裝置中的應(yīng)用結(jié)果表明，NOx去除率50%～70%，最高達(dá)90%以上，每年可減排NOx 206 t。目前，我國約有150～160套催化裂化裝置，僅中石化就有50多套，因此中國石化撫順石油化工研究院研制的適于催化裂化煙氣脫硝的蜂窩狀SCR催化劑的成功應(yīng)用具有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

SCR脫硝催化劑技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來已發(fā)展多年，世界范圍內(nèi)的該領(lǐng)域?qū)＠暾埩坎粩嘣鲩L。由于專利權(quán)的保護(hù)期為至申請日起20年，國外申請人在前兩次技術(shù)周期內(nèi)申請的SCR催化劑核心專利目前處于已過保護(hù)期或臨近過保護(hù)期的狀態(tài)，國外企業(yè)的技術(shù)壁壘對我國的影響已越來越小。認(rèn)真研究SCR催化劑領(lǐng)域已過保護(hù)期或臨近過保護(hù)期的核心專利，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，對于推動(dòng)SCR催化劑的國產(chǎn)化具有重要意義。雖然近些年國內(nèi)申請人的該領(lǐng)域?qū)＠暾埩肯啾绕渌鼑以鲩L更為迅猛，但是國內(nèi)申請人多集中在高校，專利技術(shù)水平相對較低，產(chǎn)業(yè)化程度不高，缺乏專利布局。政府應(yīng)積極培育企業(yè)的創(chuàng)新能力，改變申請人的結(jié)構(gòu)類型，促進(jìn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的協(xié)同創(chuàng)新，逐漸使企業(yè)成為掌握SCR催化劑核心技術(shù)的主體。技術(shù)創(chuàng)新方面仍以SCR催化劑配方為研究熱點(diǎn)、提高催化劑的活性穩(wěn)定，但不能忽略對催化劑材料、催化劑再生技術(shù)、降低催化劑成本等其余技術(shù)-功效分支的研究，開發(fā)出適合我國國情的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SCR催化劑成套技術(shù)。

近年來，我國相繼頒布實(shí)施了《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》和《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》等多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)和政策，公眾也對環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，這也為我國SCR催化劑技術(shù)的發(fā)展提供了難得的機(jī)遇。我國SCR催化劑行業(yè)需要進(jìn)一步加大技術(shù)研發(fā)投入，進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)研結(jié)合，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)應(yīng)制定合理的專利申請和保護(hù)策略，形成有效的原創(chuàng)核心專利，并促進(jìn)專利技術(shù)進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化，使我國在該領(lǐng)域逐漸完全擺脫長期依賴國外專利技術(shù)的困境。

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