采用等離子體氣化技術(shù)處理垃圾的專利分析

劉慧娟 劉浩亮（等同第一作者）

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津300304）

1 概述

目前，我國的垃圾處理方法主要有三種：填埋法、堆肥法和焚燒發(fā)電法[1]。但是在垃圾越來越多的情況下，填埋法、堆肥法面臨著無處可埋，無處可堆的局面，焚燒法雖然可以減少占地，焚燒發(fā)電帶來經(jīng)濟(jì)效益，但是容易產(chǎn)生二噁英 、呋喃等致癌物，飛灰和殘?jiān)廴舅矗罅繜煔鈺廴究諝獾?。因此尋找一種新型的綠色環(huán)保適合垃圾處理的技術(shù)迫在眉睫。等離子氣化技術(shù)作為一種全新的技術(shù)[2]尤其適合于垃圾的處理。

等離子體氣化就是利用等離子火炬或火爐將廢物加熱至超高溫，由于粒子的運(yùn)動能量遠(yuǎn)大于分子間化學(xué)鍵的能量，使得原有的物質(zhì)被破壞變成原子狀態(tài)，復(fù)雜的物質(zhì)就轉(zhuǎn)化為簡單的物質(zhì)。對于垃圾而言，等離子炬產(chǎn)生的高強(qiáng)度熱源（5500℃以上）能把其中的有機(jī)物成分完全氣化變成CO 和H2，把其中的無機(jī)物成分變成玻璃體殘?jiān)?，減容率可達(dá)95%以上，從而基本實(shí)現(xiàn)垃圾處理的零污染物排放。

本文將以專利視角切入，對采用等離子體氣化技術(shù)處理垃圾的相關(guān)專利申請數(shù)量、年申請量趨勢、國別分布等進(jìn)行分析，以揭示采用等離子體氣化技術(shù)處理垃圾的研究方向及研究重點(diǎn)。

2 專利申請情況統(tǒng)計(jì)分析

2.1 國內(nèi)外申請量分布情況

1990 年1 月1 日-2017 年12 月31 日間，中國、美國、歐洲、日本、韓國及俄羅斯涉及采用等離子體氣化技術(shù)處理垃圾專利申請共計(jì)653 件，圖1 為各國申請人申請量分布圖。圖2 為各國申請逐年分布圖。

從圖1 及圖2 中可以看出，雖然我國起步較晚，但申請量增長較快，截止2017 年底中國的申請總量位居世界第一，專利申請量有253 件，尤其從2006 年起顯示出極高的研發(fā)活躍度。其次申請總量位居世界第二的美國，專利申請量有163 件，等離子體氣化用于垃圾處理技術(shù)起源于美國，并且從圖2 中也可以看出，等離子體氣化用于垃圾處理技術(shù)在美國也一直保持著平穩(wěn)的研發(fā)活躍度。而且，由圖2 可見，中國、美國、歐洲、日本、韓國及俄羅斯申請總量呈上升趨勢，這也說明了越來越多的研究者投入了等離子體氣化技術(shù)處理垃圾的研究當(dāng)中。

2.2 國內(nèi)外申請人分布情況

等離子體氣化用于垃圾處理技術(shù)的主要申請人如圖3 所示。從圖3 主要申請人分布來看，涵蓋了企業(yè)、個(gè)人和科研機(jī)構(gòu)，并且遍布國內(nèi)外，其中申請量最多的是周開根39 件，中國東方電氣集團(tuán)有限公司22 件緊隨其后。另外，申請主要還是集中在企業(yè)申請，這也說明等離子體氣化技術(shù)用于垃圾處理具有較大的商業(yè)價(jià)值。

圖1 各國申請量分布圖

圖2 各國申請量逐年分布圖

圖3 主要申請人分布圖

2.3 主要技術(shù)分支分析

具體分析國內(nèi)外采用等離子體氣化技術(shù)處理垃圾領(lǐng)域申請的技術(shù)分支，專利申請主要集中在C10J 涉及氣化技術(shù)，而當(dāng)前的垃圾氣化處理主要是氣化熔融焚燒處理，因此有一部分專利申請集中在F23G 涉及焚化爐，廢物的焚毀，由于此次研究的對象主要是垃圾，因此，固體廢物的處理的技術(shù)分支B09B 也是申請量比較大的技術(shù)分支。

3 國內(nèi)外重點(diǎn)專利狀況

美國的RESORPTION CANADA 公司在1992 年申請的專利US5280757A 公開了了一種城市生活垃圾處理工藝，其采用了等離子焊弧炬作為密閉反應(yīng)器中的獨(dú)立熱源，進(jìn)而氣化城市固體廢物并產(chǎn)生中等質(zhì)量的氣體產(chǎn)物和具有較低有毒元素的惰性爐渣，氣體產(chǎn)物中半揮發(fā)性有機(jī)化合物如二噁英和呋喃含量較低。

中國的周開根在2008 年申請的專利CN101306796A 公開了一種垃圾原料轉(zhuǎn)化為高熱值合成氣的等離子體氣化設(shè)備，其為一種集烘干、熱解、氣化、燃盡為一體的逆流式氣化反應(yīng)爐，采用等離子體技術(shù)，把水蒸汽送入等離子體噴槍加熱到3100℃以上的溫度，在不用空氣和氧氣助燃的條件下獲得高熱值的產(chǎn)品。

美國的阿爾特NRG 公司在2009 年申請的專利US20100199560A1 公開了一種等離子氣化反應(yīng)器，其具有從底部向上的錐形壁，底部部分包含碳質(zhì)床，通過等離子體炬將等離子體注入其中的碳質(zhì)床至容器進(jìn)而有利于反應(yīng)的徹底性和可提高有用反應(yīng)產(chǎn)物的收率。

中國的中國東方電氣集團(tuán)有限公司在2015 年申請的專利CN104449875A 公開了一種等離子輔助加熱熔融氣化反應(yīng)器，由于現(xiàn)有的等離子垃圾氣化技術(shù)耗電過高導(dǎo)致成本增加，本發(fā)明利用等離子體炬作為高品質(zhì)外熱源將生活垃圾熱解氣化后產(chǎn)生的灰渣熔融，并將氣化后的合成氣重整，進(jìn)而去除了可能產(chǎn)生的有害物質(zhì)。

4 結(jié)論

由于等離子體氣化技術(shù)由于原料適用范圍廣、具有無害化和資源化特點(diǎn)且可以滿足嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，由于等離子體耗電高導(dǎo)致垃圾氣化成本增加，嚴(yán)重制約了等離子體氣化技術(shù)應(yīng)用于垃圾處理的發(fā)展，并且，等離子體氣化往往氣化溫度較高，對氣化爐的材質(zhì)要求也高。因此，降低等離子體的成本及等離子體低溫化氣化是今后研究的重點(diǎn)。