基于專利情報(bào)分析的工業(yè)煙氣清潔技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)研究

劉 錦 曹哲統(tǒng) 秦雅楠 張 玉

1 北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自動(dòng)化物流裝備工程技術(shù)研究中心 北京 100007 3 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 北京 100083

0 引言

作為世界上最大的一次能源消費(fèi)國(guó)家，我國(guó)資源稟賦決定了以煤為主的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)難以改變[1]。2022 年我國(guó)全年能源消費(fèi)總量達(dá)53.9 億t 標(biāo)煤，相比2021 年同比增長(zhǎng)2.9%[2]，與此同時(shí)，為及時(shí)治理工業(yè)化進(jìn)程加快所帶來(lái)的煤煙型污染、光化學(xué)污染和酸雨等一系列污染問(wèn)題，鋼鐵和水泥等重點(diǎn)攻堅(jiān)行業(yè)將進(jìn)入超低排放倒計(jì)時(shí)，其相關(guān)煙氣清潔的課題亦將呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

本文運(yùn)用專利分析法量化專利信息，對(duì)工業(yè)煙氣清潔技術(shù)的研發(fā)態(tài)勢(shì)開展宏觀研究，以期為相關(guān)機(jī)構(gòu)提供競(jìng)爭(zhēng)情報(bào)，為行業(yè)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。首先收集關(guān)鍵詞，構(gòu)建檢索式獲取專利數(shù)據(jù)，基于行業(yè)技術(shù)分解，歸納脫硫和脫硝等各項(xiàng)典型煙氣清潔技術(shù)，對(duì)專利申請(qǐng)量時(shí)間演變特征、申請(qǐng)人分布特征精細(xì)分析，探討行業(yè)整體發(fā)展進(jìn)程；其次對(duì)工業(yè)煙氣污染物一體化清潔的熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行匯總分析；最后為國(guó)內(nèi)工業(yè)煙氣污染物一體化清潔的研究方向及專利申請(qǐng)策略提出一些建議。

本文以智慧芽專利數(shù)據(jù)庫(kù)為引擎檢索專利，該平臺(tái)覆蓋105 個(gè)國(guó)家、地區(qū)及國(guó)際組織，收錄了超過(guò)1 億份專利文獻(xiàn)。使用中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)等引擎及Origin等工具輔助檢索與處理數(shù)據(jù)。

1 行業(yè)歷年專利申請(qǐng)分布趨勢(shì)分析

文章設(shè)置檢索時(shí)間范圍為2001 年1 月～2022 年12 月，檢索日期為2023 年2 月1 日。根據(jù)工業(yè)煙氣清潔技術(shù)相關(guān)的基本關(guān)鍵詞，按類進(jìn)行整理歸納和搭配，最后按照智慧芽數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索式表達(dá)要求，得出以下檢索式為

TS= ( (煙氣) OR (煙霧) OR (廢氣)) AND ((清潔)OR ( 凈化)) AND ( ( 硫) OR (SO2) OR (H2S) OR ( 硝)OR (氮氧化物) OR (NOX) OR (NO) OR (NO2) OR (NH3)OR (汞) OR (鉛) OR (銅) OR (鉻) OR (鎘) OR (砷)OR (重金屬) OR (一氧化碳) OR (VOC) OR (有機(jī)廢氣)OR (甲硫醇) OR (甲硫醚) OR (二甲二硫醚) OR (二噁英) OR (苯乙烯) OR (粉塵) OR (顆粒) )

輸入上述檢索式進(jìn)行檢索后，將顯示結(jié)果調(diào)整至每件申請(qǐng)只顯示一個(gè)公開文本，規(guī)避數(shù)據(jù)的重復(fù)計(jì)算，通過(guò)分析國(guó)際專利分類號(hào)(International Patent Classification，IPC)下的專利內(nèi)容，利用分類號(hào)篩除不相關(guān)記錄，共找到193 027 件專利，檢索過(guò)程堅(jiān)持檢索→驗(yàn)證→分析原因→繼續(xù)檢索→驗(yàn)證的循環(huán)反復(fù)原則，直至檢索式達(dá)到查全、查準(zhǔn)要求為止。

1.1 專利申請(qǐng)時(shí)間演變特征分析

本文對(duì)比了近20 a 工業(yè)煙氣清潔技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)（見圖1），在2003 年，工業(yè)煙氣清潔產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入萌芽期。2005 年開始，專利申請(qǐng)量一直平穩(wěn)增長(zhǎng)，一方面與當(dāng)時(shí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)總體數(shù)量較少存在必然聯(lián)系，另一方面反映出該領(lǐng)域技術(shù)不斷進(jìn)步，但尚未進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段。2012 年～2020 年，專利申請(qǐng)量進(jìn)入高速發(fā)展期，并在2020 年達(dá)到峰值，反映了全球工業(yè)煙氣清潔行業(yè)愈發(fā)重視原始創(chuàng)新，創(chuàng)新能力逐步加強(qiáng)，這歸功于世界各國(guó)大力推行新政策。2021 年，專利申請(qǐng)量有所下降，形成這種趨勢(shì)的原因是多樣的。首先，申請(qǐng)量位居世界第一的中國(guó)近年來(lái)在專利申請(qǐng)整體監(jiān)管方面，加大了優(yōu)化申請(qǐng)結(jié)構(gòu)和提高申請(qǐng)質(zhì)量的力度，各申請(qǐng)人已將專利申報(bào)理念由重?cái)?shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)橹刭|(zhì)量，積極培育高質(zhì)量專利，因此總申請(qǐng)量得到控制；其次，工業(yè)煙氣清潔技術(shù)發(fā)展可能進(jìn)入平臺(tái)期，部分新技術(shù)的專利布局進(jìn)入掃尾階段，此階段實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新難度較大。另外，考慮到2022 年的專利申請(qǐng)可能并未完全公開，申請(qǐng)量增長(zhǎng)趨勢(shì)今后可能會(huì)有所回暖。

圖1 近20 a 工業(yè)煙氣清潔技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖

經(jīng)過(guò)行業(yè)技術(shù)分解，分別對(duì)脫硫、脫硝、脫除重金屬、脫除揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和除塵等各類典型工業(yè)煙氣清潔技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比（見圖2），可以看出各類技術(shù)的專利申請(qǐng)量均在近10 a 經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)時(shí)期，并于2020 年達(dá)到峰值，其中除塵技術(shù)需求較大且實(shí)現(xiàn)方式較為多樣化，故其專利申請(qǐng)總量最大；脫硫脫硝作為常規(guī)污染物脫除，也是傳統(tǒng)煙氣清潔技術(shù)的主要部分，專利申請(qǐng)總量?jī)H次于除塵技術(shù)；VOCs 和重金屬脫除技術(shù)針對(duì)非常規(guī)污染物，主要集中在特定行業(yè)的專項(xiàng)治理，例如電力行業(yè)的汞脫除、機(jī)動(dòng)車尾氣VOCs 污染治理等，故專利申請(qǐng)的總量相對(duì)較小。

圖2 近20 a 各類典型工業(yè)煙氣清潔技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)對(duì)比圖

1.2 專利申請(qǐng)空間分布特征分析

本文統(tǒng)計(jì)了專利研發(fā)主體地域分布情況（見圖3）。在國(guó)際上，工業(yè)煙氣清潔技術(shù)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的申請(qǐng)量占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，約占92.15%，主要因?yàn)橹袊?guó)為推進(jìn)工業(yè)廢氣治理，出臺(tái)了世界最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，涉及行業(yè)廣泛，工業(yè)煙氣清潔技術(shù)的研發(fā)成為長(zhǎng)期研究課題，加上中國(guó)重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，專利申請(qǐng)量領(lǐng)跑全球，故其在專利申請(qǐng)方面呈現(xiàn)突出活躍度。此外，美國(guó)、日本和德國(guó)作為主要的申請(qǐng)國(guó)，也是煙氣清潔技術(shù)發(fā)展較快的國(guó)家，具有一定的技術(shù)儲(chǔ)備。

圖3 專利研發(fā)主體地域分布圖

統(tǒng)計(jì)工業(yè)煙氣清潔技術(shù)專利申請(qǐng)量排名前10 位的申請(qǐng)人，重點(diǎn)申請(qǐng)人排名（見圖4）中除了日本豐田自動(dòng)車株式會(huì)社外，其他均為中國(guó)企業(yè)和高校，中國(guó)石化憑借著其在節(jié)能減排技術(shù)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)名列前茅，是其多年來(lái)一直強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)專利戰(zhàn)略實(shí)施的必然結(jié)果。同時(shí)也可以看出，我國(guó)上榜的申請(qǐng)人中高校和科研院所居多，反映了我國(guó)煙氣清潔技術(shù)相當(dāng)一部分處于前期研發(fā)階段，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

圖4 重點(diǎn)申請(qǐng)人排名

對(duì)該領(lǐng)域?qū)＠卸龋ㄒ妶D5）進(jìn)行分析可以看出，申請(qǐng)總量排名前10 位的申請(qǐng)人持有專利的總量占該領(lǐng)域的總專利申請(qǐng)量的比重不斷降低，這反映出近年來(lái)該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)激烈程度不斷增加，行業(yè)的壟斷性持續(xù)降低，伴隨著各高校、企業(yè)在本行業(yè)的探索與嘗試，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，形成了產(chǎn)業(yè)技術(shù)多元化發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

圖5 專利集中度變化趨勢(shì)

2 一體化清潔技術(shù)的專利情報(bào)分析

近年來(lái)，隨著大氣治理要求的嚴(yán)格化，僅靠單一技術(shù)的升級(jí)難以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)，煙氣清潔技術(shù)已向一體化的協(xié)同處理發(fā)展[3]。本文對(duì)一體化清潔技術(shù)進(jìn)行專利情報(bào)分析，設(shè)置檢索的時(shí)間范圍為 2001 年1 月～2022 年12 月，檢索日期為2023 年2 月1 日。根據(jù)工業(yè)煙氣清潔技術(shù)相關(guān)的基本關(guān)鍵詞，按類進(jìn)行整理歸納和搭配，同時(shí)進(jìn)行一體化的限定，最后按照智慧芽數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索式表達(dá)要求，得出檢索式為

TS=((煙氣) OR (煙霧) OR (廢氣)) AND ((清潔)OR (凈化)) AND ( (一體化) OR (integration)) AND ( (硫)OR (SO2) OR (H2S) OR (硝) OR (氮氧化物) OR (NOX)OR (NO) OR (NO2) OR (NH3) OR (汞) OR (鉛) OR (銅)OR (鉻) OR (鎘) OR (砷) OR (重金屬) OR (一氧化碳)OR (VOC) OR (有機(jī)廢氣) OR (甲硫醇) OR (甲硫醚)OR (二甲二硫醚) OR (二噁英) OR (苯乙烯) OR (粉塵)OR (顆粒) )

輸入上述檢索式進(jìn)行檢索后，將顯示結(jié)果調(diào)整至每件申請(qǐng)只顯示一個(gè)公開文本，規(guī)避數(shù)據(jù)的重復(fù)計(jì)算，再通過(guò)分析IPC 分類號(hào)篩除餐廚、電梯通風(fēng)報(bào)警系統(tǒng)等不相關(guān)記錄，進(jìn)行降噪處理，共查詢到12 627 件專利，其中11 629 項(xiàng)為中國(guó)專利。

2.1 熱點(diǎn)技術(shù)分析

為調(diào)研煙氣一體化清潔的熱點(diǎn)技術(shù)、集中的應(yīng)用領(lǐng)域和遇到的共性技術(shù)問(wèn)題等，文章借助檢索平臺(tái)對(duì)這些專利的關(guān)鍵詞進(jìn)行智能提取，歸納高頻關(guān)鍵詞匯總圖（見圖6），出現(xiàn)頻次最高的3 個(gè)關(guān)鍵詞依次為：煙道氣、塔式建筑、組合裝置?？梢姛煔庖惑w化清潔常用于處理工業(yè)化進(jìn)程中的煤煙型污染，協(xié)同處理效果的達(dá)成以裝置的組合串聯(lián)為主。本文匯總了一體化清潔技術(shù)主要技術(shù)手段關(guān)鍵詞分類（見表1），大部分技術(shù)方案為化工裝置、化學(xué)試劑和涉及到的化學(xué)反應(yīng)，例如優(yōu)化催化劑配方，可見煙氣一體化清潔的主要研發(fā)在化工領(lǐng)域比較集中。

表1 一體化清潔技術(shù)主要技術(shù)手段關(guān)鍵詞分類

圖6 高頻關(guān)鍵詞匯總圖

專利的被引次數(shù)越多，說(shuō)明越偏向基礎(chǔ)性專利，相關(guān)技術(shù)方案的可參考性和實(shí)施性越強(qiáng)。文章按照相關(guān)專利被引用次數(shù)進(jìn)行排序，將被引用次數(shù)前10 位專利申請(qǐng)（見表2）進(jìn)行重點(diǎn)分析?？梢钥闯觯壳暗幕A(chǔ)技術(shù)一定條件下能實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝等二合一，或脫硫脫硝除塵和脫硫脫硝除重金屬等三合一的協(xié)同一體化脫除。相關(guān)技術(shù)多歸屬于IPC 大類的B01 一般的物理或化學(xué)的方法或裝置，大致可分為一體化脫除裝置和一體化脫除方法（包括催化劑研發(fā)），其中方法類專利申請(qǐng)更側(cè)重理論基礎(chǔ)，裝置類一般為集成化設(shè)備，側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用。

表2 一體化清潔技術(shù)主要技術(shù)手段關(guān)鍵詞分類

被引用專利總數(shù)量排位第一的專利申請(qǐng)將煙氣引入循環(huán)流化床反應(yīng)器中，向其內(nèi)噴入富氧高活性吸收劑，并給出吸收劑的配方，二氧化硫、氮氧化物和汞脫除效率分別超過(guò)90%、60%和50%，該設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)廢水排放。一種整體式催化劑及其制備方法和應(yīng)用、一種煉化裝置惡臭VOCs 氣體的一體化處理方法這2 項(xiàng)專利申請(qǐng)3 a 內(nèi)被引用次數(shù)最多，且申請(qǐng)日相對(duì)較新，可以認(rèn)為是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)，前者涉及的催化劑可用于一體化脫除多種氮氧化物（NOx），雖然最終未獲得授權(quán)，但卻被引用于工業(yè)煙氣、油煙機(jī)、空氣凈化器等多種應(yīng)用場(chǎng)景，說(shuō)明其具有較強(qiáng)的普適性；后者不僅能夠有效地處理復(fù)雜成分的揮發(fā)性有機(jī)物，同時(shí)還可以脫除含硫、氮等廢氣，具有工藝流程簡(jiǎn)單、成本低和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，該申請(qǐng)被駁回，但被46 項(xiàng)專利申請(qǐng)引用，其中多半為已授權(quán)的國(guó)外專利。以上各項(xiàng)熱點(diǎn)基礎(chǔ)專利，當(dāng)前法律狀態(tài)均處于失效或駁回狀態(tài)，未受到專利保護(hù)，公眾可直接參照使用。

2.2 工業(yè)煙氣一體化清潔技術(shù)的中國(guó)專利概況

基于文章構(gòu)建的一體化清潔技術(shù)檢索式，鎖定受理局為中國(guó)，其中包括了中國(guó)本土申請(qǐng)的國(guó)內(nèi)專利及其他國(guó)家進(jìn)入中國(guó)申請(qǐng)的中國(guó)專利。經(jīng)過(guò)刪除相同專利的不同階段文本和其他領(lǐng)域噪聲，共查詢到專利申請(qǐng)12 062 項(xiàng)?？梢姡S著中國(guó)出臺(tái)了世界最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，治理力度不斷擴(kuò)大，中國(guó)該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量已相當(dāng)龐大。

本文匯總了國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人地區(qū)分布，在本土專利申請(qǐng)中，來(lái)自中國(guó)申請(qǐng)人的專利主要分布于江蘇、北京、廣東等省份，其中江蘇省擁有1 816 件專利，占到所有專利申請(qǐng)的15.06%，可以說(shuō)是我國(guó)一體化煙氣清潔技術(shù)強(qiáng)省。除了本土的專利申請(qǐng)，中國(guó)專利局受理最多的國(guó)外申請(qǐng)人為日本專利申請(qǐng)人，可見本領(lǐng)域日本申請(qǐng)人對(duì)于進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，開展專利布局的策略已較早開始踐行。

匯總本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)法律階段占比如圖7 所示，中國(guó)雖然申請(qǐng)了大量專利，但絕大部分是在最近幾年大氣治理熱潮興起后申請(qǐng)的，很多專利申請(qǐng)還在實(shí)審階段，所申請(qǐng)的專利也以商業(yè)應(yīng)用為主。另外，中國(guó)一體化煙氣清潔領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量龐大，但是質(zhì)量還有待提高，大量專利因缺乏申請(qǐng)條件而被撤回或駁回。

圖7 專利申請(qǐng)法律階段占比

3 結(jié)語(yǔ)

早在21 世紀(jì)初期，煙氣清潔技術(shù)已進(jìn)入萌芽期，經(jīng)歷了飛速發(fā)展階段，至今相關(guān)技術(shù)的研發(fā)并未出現(xiàn)衰老跡象，未來(lái)若干年，更加高效、便捷的協(xié)同一體化煙氣清潔技術(shù)仍將得到更大的發(fā)展空間。即便相關(guān)技術(shù)發(fā)展前景一片曙光，專利申請(qǐng)仍然存在授權(quán)率相對(duì)較低的問(wèn)題，尤其是多項(xiàng)基礎(chǔ)型專利均未被授權(quán)，在未能獲取到專利權(quán)保護(hù)的前提下反而作為已公開的現(xiàn)有技術(shù)被多項(xiàng)文獻(xiàn)引用，甚至多被國(guó)外文獻(xiàn)引用，造成了一定的關(guān)鍵技術(shù)流失。此外，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)方向比較分散，缺少成熟的一體化協(xié)同處置技術(shù)。為此，提出以下建議：

1）強(qiáng)化市場(chǎng)需求調(diào)研、策劃專項(xiàng)治理實(shí)施方案

從本研究中發(fā)現(xiàn)，由于不同行業(yè)存在工藝差異，其煙氣成分復(fù)雜多變、性質(zhì)不同，各項(xiàng)參數(shù)波動(dòng)范圍大，急需研發(fā)含有腐蝕性成分多污染物的協(xié)同處理技術(shù)。建議申請(qǐng)人關(guān)注國(guó)家各項(xiàng)治理政策，跟進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂情況，把握各行業(yè)煙氣超凈排放具體要求，針對(duì)性制定專項(xiàng)治理方案。近年來(lái)，部分地方標(biāo)準(zhǔn)明顯提高了SO2、NOx、顆粒物等大氣污染物排放控制要求。尤其是非電行業(yè)的煙氣治理需求巨大，對(duì)應(yīng)NOx 和VOCs 協(xié)同處置等研發(fā)方向可重點(diǎn)關(guān)注。

2）深化產(chǎn)學(xué)研合作交流、推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化

關(guān)于國(guó)內(nèi)煙氣清潔技術(shù)，企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)的技術(shù)熱點(diǎn)存在些許差異，部分高校如昆明理工大學(xué)、浙江大學(xué)等已獲得大量相關(guān)技術(shù)的專利授權(quán)，可推進(jìn)存在煙氣污染物排放超標(biāo)問(wèn)題的企業(yè)與擁有高研發(fā)能力的研究院所、高校進(jìn)行溝通合作，加速開發(fā)新型一體化煙氣清潔技術(shù)，提高凈化效率。

3）細(xì)化專利挖掘與科學(xué)布局、保持專利申請(qǐng)量理性增長(zhǎng)

除了專利申請(qǐng)外，也要提高專利質(zhì)量，重視審查意見答辯，進(jìn)一步提高授權(quán)率，同時(shí)盤活專利實(shí)施、許可、轉(zhuǎn)讓、引進(jìn)等工作，激發(fā)專利工作的創(chuàng)新思路，在國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)龐大存量的基礎(chǔ)上不斷提高專利經(jīng)營(yíng)利用水平。另外，建議重點(diǎn)關(guān)注豐田等國(guó)外龍頭企業(yè)在中國(guó)的大量專利布局，采取相應(yīng)的專利申報(bào)策略，盡量規(guī)避國(guó)外專利布局為國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)帶來(lái)的發(fā)展障礙，也可引進(jìn)必要的核心技術(shù)專利，開展再挖潛、再創(chuàng)新。