韓國(guó)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利布局現(xiàn)狀分析

戰(zhàn)庭軍,趙耀,王廷勇,趙超,曾維武

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

隨著化石燃料的大量使用,環(huán)境問題日益凸顯,使用化石燃料過程中排放出的溫室氣體是引發(fā)全球變暖的主要原因。近年來航運(yùn)業(yè)高速發(fā)展,通過海上運(yùn)輸?shù)膰?guó)際貿(mào)易往來占80%以上[1]。當(dāng)前船舶仍以化石能源為主要燃料,根據(jù)國(guó)際海事組織2020年數(shù)據(jù),全球航運(yùn)市場(chǎng)溫室氣體每年排放總量超過10億t,其中碳排放達(dá)到了98%,2021年全球二氧化碳排放總量達(dá)到363億t,航運(yùn)業(yè)碳排放占世界總排放量的比例約為2.8%[2],而且每年全球遠(yuǎn)洋船舶排放的SO2約占人為排放源的8.1%,NOx約占排放總量的15.2%[1]。針對(duì)以上情況,國(guó)際海事組織加強(qiáng)了國(guó)際船東和船企的碳排放要求,提出了航運(yùn)業(yè)發(fā)展的碳減排時(shí)間表和路線圖。如果繼續(xù)在海上船舶中使用不可再生能源作為動(dòng)力來源,全球生態(tài)環(huán)境將面臨更嚴(yán)重的惡化。國(guó)際海事組織(IMO)在2018年通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》,提出了逐步引入氫、氨等零碳燃料技術(shù)的中長(zhǎng)期目標(biāo),旨在推動(dòng)航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳排放[3-6]。

韓國(guó)大宇造船、三星重工、現(xiàn)代重工三大船企早在2010年起便在船用綠色動(dòng)力方面展開布局,并已在LNG動(dòng)力供氣系統(tǒng)形成專利布局體系,對(duì)我國(guó)LNG動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)構(gòu)成現(xiàn)實(shí)威脅。在“雙碳”目標(biāo)背景下,氨作為一種“無碳新能源”再次引起廣泛關(guān)注,在電力、交通等領(lǐng)域的脫碳提供新的選擇[7-8]。氨燃料為富氫燃料,在能量密度、儲(chǔ)存方面較氫燃料有明顯優(yōu)勢(shì)[9-10],隨著氨燃料船型開發(fā)、氨燃料主機(jī)研發(fā)等項(xiàng)目的推進(jìn),氨燃料動(dòng)力船有望在2024年實(shí)現(xiàn)初步的商業(yè)化[11-13]。當(dāng)前,在低碳/零碳燃料領(lǐng)域,韓國(guó)船企也開始圍繞氨供應(yīng)系統(tǒng)紛紛展開布局,本文對(duì)韓國(guó)大宇造船、三星重工、現(xiàn)代重工三大船企的氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利布局現(xiàn)狀展開分析,以期為我國(guó)船舶氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)和專利布局提供參考,并針對(duì)現(xiàn)有的專利布局體系提出應(yīng)對(duì)策略。

1 資料與方法

本文使用的數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)為韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局下屬韓國(guó)工業(yè)產(chǎn)權(quán)信息服務(wù)中心提供的專利數(shù)據(jù)庫(kù),首先以“氨”、“供應(yīng)系統(tǒng)”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索,并根據(jù)“三星重工”、“現(xiàn)代重工”、“大宇造船”三個(gè)申請(qǐng)人分別進(jìn)行二次檢索。檢索截止日期為2022年10月25日。對(duì)檢索到的專利進(jìn)行篩選,確保專利為氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)專利。

2 韓國(guó)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利總體情況

韓國(guó)三大船企目前共申請(qǐng)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)專利54項(xiàng),各船企專利數(shù)量及技術(shù)方案概況如表1所示。

表1 韓國(guó)三大船企氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利數(shù)量及技術(shù)方案概況

2.1 現(xiàn)代重工專利分析

現(xiàn)代重工圍繞氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)共申請(qǐng)5件專利,主要圍繞一種核心技術(shù)方案形成專利組合,核心技術(shù)方案如圖1所示。該技術(shù)方案主要包括供應(yīng)單元、重整單元、尿素溶液?jiǎn)卧?、渦輪增壓?jiǎn)卧炔糠?除可實(shí)現(xiàn)液貨艙燃料升溫升壓后以氣體形式供應(yīng)主機(jī)的主流程外,還可實(shí)現(xiàn)氨重整制氫、制尿素溶液并對(duì)尾氣脫硝、主機(jī)渦輪增壓等其他流程。

圖1 現(xiàn)代重工核心技術(shù)方案

現(xiàn)代重工在其核心方案的專利布局中,分別針對(duì)氨燃料供應(yīng)、渦輪增壓、多燃料供應(yīng)、控制系統(tǒng)等不同方面展開專利申請(qǐng),構(gòu)建壁壘式防御型專利布局體系,如圖2所示。

2.2 三星重工專利分析

三星重工(SHI)專利布局針對(duì)燃燒裝置前端的氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)和后端的尾氣處理系統(tǒng)兩方面展開。在氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)方面,共布局10項(xiàng)專利,如圖3所示。此外,其在尾氣處理系統(tǒng)方面布局4項(xiàng)專利,內(nèi)容主要圍繞尿素儲(chǔ)存形式(固態(tài)尿素儲(chǔ)存、尿素水溶液儲(chǔ)存)、尿素供應(yīng)液氨去主機(jī)、尿素供應(yīng)氨氣去SCR反應(yīng)器等展開。

氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利1中,儲(chǔ)罐中的液氨經(jīng)低壓泵、高壓泵加壓,加熱器升溫后進(jìn)入燃燒裝置中燃燒;BOG經(jīng)壓縮機(jī)加壓,冷卻器降溫液化后,一部分進(jìn)入液氨供應(yīng)管同液氨混合后供往燃燒裝置,一部分經(jīng)節(jié)流降溫后返回儲(chǔ)罐中,當(dāng)燃燒裝置停機(jī)時(shí),BOG液化后僅返回儲(chǔ)罐中,此時(shí)惰化單元吹掃惰性氣體,將供應(yīng)管路中的氨燃料吹掃至停機(jī)緩沖罐內(nèi)儲(chǔ)存。在專利1的基礎(chǔ)上,氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)主要圍繞儲(chǔ)罐BOG氣體處理方式(路徑1→2→3)、停機(jī)時(shí)緩沖罐50中氨燃料利用方式(路徑1→4、1→7、1→9)及改進(jìn)流程(路徑4→5→6、7→8、9→10)進(jìn)行布局,各路徑具體內(nèi)容如表 2所示。

表2 三星重工燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利布局路徑具體內(nèi)容

2.3 大宇造船專利分析

大宇造船(DSME)采取“基本設(shè)計(jì)方案+詳細(xì)設(shè)計(jì)方案+性能改進(jìn)方案”的布局策略,其技術(shù)路線如圖4所示。基本設(shè)計(jì)方案主要為氨+任意燃料供應(yīng),并提到了加熱器(氨加熱)以及尾氣處理技術(shù)(SCR),系統(tǒng)可根據(jù)處理后氣體中NOx濃度調(diào)節(jié)進(jìn)入SCR反應(yīng)器中的NH3流量,還可以根據(jù)航行區(qū)域調(diào)節(jié)氨和含碳燃料的燃燒比例,確保排放氣體中的CO2含量滿足相應(yīng)要求。

性能改進(jìn)方案為氨制氫輔助燃燒,用于改善氨燃料的燃燒。燃料儲(chǔ)罐中的氨一部分進(jìn)入氨分解裝置中,利用壓載水處理裝置的交流電源對(duì)氨分解,分解得到的氫氣在混合單元中同另外的氨氣混合進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒,利用氫氣的燃燒速度快且反應(yīng)性高來提高氨燃料的燃燒效率,從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的未燃燒氨。

詳細(xì)設(shè)計(jì)方案為大宇造船專利布局重點(diǎn),主要包括液氨同其他燃料的混合供應(yīng)、液氨供應(yīng)及制氫、液氨供應(yīng)及BOG再液化?！鞍?LNG+油”多燃料供應(yīng)專利中,三種燃料可單獨(dú)或混合供應(yīng)往主機(jī)和輔機(jī),LNG儲(chǔ)罐中的BOG可經(jīng)壓縮機(jī)加壓、換熱器冷卻后進(jìn)入到輔機(jī)進(jìn)行發(fā)電。液氨儲(chǔ)罐中的氨氣則可利用LNG供應(yīng)時(shí)的冷能得到液化后返回到液氨儲(chǔ)罐中?！耙喊惫?yīng)與制氫”專利中,氨燃料經(jīng)升壓升溫后可供往主機(jī)燃燒,主機(jī)燃燒后的回流液進(jìn)入氣液分離罐中,液相返回高壓泵入口前回用,高壓氣相可利用儲(chǔ)罐BOG冷能液化后返回儲(chǔ)罐中。此外,氣液分離罐、壓縮機(jī)后緩沖罐中的氣體和儲(chǔ)罐中的BOG也可進(jìn)入重整器中分解為H2和N2,分離得到的H2可用于燃料電池,N2用于惰性系統(tǒng)或排放。

液氨供應(yīng)及BOG再液化為大宇造船保護(hù)的重點(diǎn)方案,共布局10項(xiàng)專利,如圖 5所示,其針對(duì)氨燃料供應(yīng)、BOG再液化兩個(gè)方面的工藝改進(jìn)展開了具體布局。氨燃料供應(yīng)中供應(yīng)流體和主機(jī)回流流體共用一個(gè)緩沖罐,回流流體中的液體可直接回用,緩沖罐內(nèi)的氣體和BOG可經(jīng)自冷器實(shí)現(xiàn)液化,液化后的流體返回到儲(chǔ)罐中。

大宇造船液氨供應(yīng)及BOG再液化專利布局則在基礎(chǔ)的氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)上,增加了自冷器,可憑借氨氣化時(shí)自身產(chǎn)生的冷能實(shí)現(xiàn)BOG液化。之后在氨燃料供應(yīng)和BOG再液化兩個(gè)方面分別了工藝改進(jìn),在氨燃料供應(yīng)上增加了緩沖罐和后加熱器,在BOG再液化上增加了回?zé)崞?并對(duì)回?zé)崞鞯奈恢眠M(jìn)行了調(diào)整,其專利布局方式如圖5所示。

3 我國(guó)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利應(yīng)對(duì)策略

韓國(guó)三大船企氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利申請(qǐng)開展較早,目前已形成了相對(duì)完善的布局策略及布局體系,其以氨燃料供應(yīng)為基礎(chǔ),向BOG處理、尾氣脫硝處理、提高燃燒效率、多燃料供應(yīng)等方面展開拓展,并通過“A+B+C”方式對(duì)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行排列組合展開了“堡壘式”專利布局。為避免韓國(guó)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利布局對(duì)我國(guó)氨動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)構(gòu)成現(xiàn)實(shí)威脅,本節(jié)提出我國(guó)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利布局應(yīng)對(duì)策略。

3.1 拓寬供應(yīng)系統(tǒng)專利布局范圍,實(shí)現(xiàn)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)輔助單元全覆蓋

氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)除基本的供應(yīng)功能外,還包括BOG處理單元、尾氣處理單元、惰性氣體吹掃單元等輔助單元,且每個(gè)輔助單元可采用不同技術(shù)得到實(shí)現(xiàn),如BOG處理單元可通過再液化、輔助燃燒、水吸收等技術(shù),尾氣處理單元可通過氨氣、氨水或尿素進(jìn)行NOx還原。通過對(duì)不同單元、不同技術(shù)采用“A+B+C”排列組合式布局,拓寬供應(yīng)系統(tǒng)專利布局范圍,實(shí)現(xiàn)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)輔助單元全覆蓋。

3.2 拓展氨燃料使用場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)船舶應(yīng)用全覆蓋

目前氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利申請(qǐng)主要圍繞主機(jī)燃料供應(yīng)展開,對(duì)氨燃料的使用場(chǎng)景相對(duì)局限。未來專利布局可對(duì)其使用場(chǎng)景進(jìn)一步拓展,如通過與柴油、甲醇、天然氣、氫氣等其他燃料混合燃燒拓展氨燃料應(yīng)用端到輔機(jī)、鍋爐等其他使用場(chǎng)景。此外,船舶動(dòng)力系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化的趨勢(shì),燃料電池、混合動(dòng)力系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用越來越多,可針對(duì)氨燃料電池、氨分解制氫供氫燃料電池中的氨燃料供應(yīng)及反應(yīng)工藝展開前瞻性專利布局。氨在船舶中常以低溫狀態(tài)儲(chǔ)存,在其使用過程中會(huì)釋放大量冷能,還可針對(duì)冷能利用開展相應(yīng)專利布局。在專利布局中,應(yīng)考慮到氨燃料在船舶應(yīng)用中的全覆蓋,不局限于作為主機(jī)燃料,不斷拓展氨燃料使用場(chǎng)景。

3.3 整合系統(tǒng)工藝,以技術(shù)突破打破專利壁壘

目前韓國(guó)氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)專利布局圍繞于基本應(yīng)用層面,在系統(tǒng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性上沒有做過多考慮。我國(guó)船舶設(shè)備企業(yè)應(yīng)不斷挖掘現(xiàn)有方案技術(shù)問題,進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新點(diǎn)提煉,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有專利壁壘的突破并形成儲(chǔ)備性布局。在系統(tǒng)穩(wěn)定性提升上,可進(jìn)行工藝流程優(yōu)化和控制邏輯優(yōu)化,形成新工藝和控制方法;在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性提升上,可對(duì)輔助工藝流程進(jìn)行整合和串聯(lián),在保證功能的前提下減少設(shè)備數(shù)量或降低系統(tǒng)能耗,如可對(duì)儲(chǔ)罐氨氣BOG進(jìn)行分解產(chǎn)生N2和H2,N2儲(chǔ)存用于系統(tǒng)吹掃,H2用于輔助主機(jī)燃燒等。此外,可聯(lián)合核心設(shè)備廠家,對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)進(jìn)行專利布局,進(jìn)一步把控市場(chǎng)。

近年來,中國(guó)船舶制造業(yè)在全球市場(chǎng)上所占比重明顯上升,已成為全球第一造船大國(guó),在核心船舶配套設(shè)備上做到自主可控,解決“卡脖子”問題尤為重要。氨燃料作為航運(yùn)業(yè)零碳目標(biāo)的解決途徑之一,受到了各國(guó)生產(chǎn)商的重視,且氨燃料供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)路線相對(duì)明確,因此盡快展開專利布局,構(gòu)建專利壁壘尤為重要。國(guó)內(nèi)相關(guān)研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)密切關(guān)注相關(guān)專利技術(shù)最近進(jìn)展,及時(shí)展開專利分析,進(jìn)行創(chuàng)新點(diǎn)挖掘并搶占創(chuàng)新制高點(diǎn),形成“由點(diǎn)到面”的專利布局體系。