我國煙氣脫硝技術(shù)專利分析

摘 要：【目的】大氣的主要污染氣體中，NOx每年的總排放量位居第2。煙氣脫硝是處理NOx的重要方法，而專利引領(lǐng)著行業(yè)內(nèi)新技術(shù)、新熱點(diǎn)的發(fā)展，現(xiàn)階段煙氣脫硝技術(shù)熱點(diǎn)和趨勢(shì)仍缺乏專利數(shù)據(jù)支撐。本研究通過分析煙氣脫硝技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)和熱點(diǎn)，以期為我國煙氣脫硝技術(shù)提供新的研究方向，推動(dòng)煙氣脫硝技術(shù)的不斷完善和發(fā)展?！痉椒ā勘狙芯恐攸c(diǎn)檢索分析了我國煙氣脫硝技術(shù)專利的發(fā)展趨勢(shì)及重要申請(qǐng)人，并分別針對(duì)我國煙氣脫硝專利的SNCR脫硝工藝、SCR脫硝工藝及其他新工藝新方法等3種發(fā)展路線進(jìn)行分析。【結(jié)果】傳統(tǒng)的干法脫硝技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，目前對(duì)煙氣脫硝專利的研究仍然主要集中在如何提高反應(yīng)效率、降低運(yùn)行成本及減少對(duì)環(huán)境的危害等方面。【結(jié)論】通過上述專利分析幫助申請(qǐng)人掌握領(lǐng)域?qū)＠麩狳c(diǎn)。在煙氣脫硝發(fā)展過程中，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注國內(nèi)外相關(guān)的專利技術(shù)研究動(dòng)態(tài)，探索研究更加綠色高效的脫硝技術(shù)，以推動(dòng)煙氣脫硝系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煙氣；脫硝；專利

中圖分類號(hào)：X701；G306" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2025）02-0128-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.026

Abstract： [Purposes] Among the major polluting gases in the atmosphere， NOx currently ranks second in total annual emissions. Flue gas denitration is an important method to deal with NOx， and patents lead the development of new technologies and new hot spots in the industry. At this stage， the hot spots and trends of flue gas out of stock technology still lack patent data support. This paper analyzes the trend and hot spots of flue gas denitration patents， in order to provide a new research direction for our country's flue gas denitration technology， and promote the continuous improvement and development of flue gas denitration technology.[Methods] This paper focuses on the development trend of flue gas denitration technology patents and important applicants in China， and analyzes the SNCR denitration process， SCR denitration process， and other new processes and methods separately for the three development routes of flue gas denitration patents in China. [Findings] Traditional dry denitration technology is relatively mature， and the current research on flue gas denitration patents is still mainly focused on how to improve the reaction efficiency， reduce operating costs， and reduce the harm to the environment. [Conclusions] Through the patent analysis， the applicant can grasp the field's patent hotspots： in the process of flue gas denitration development， it is necessary to pay attention to the advanced patent technology research at home and abroad at all times and explore and study more environmentally friendly and efficient denitration technologies， thus promoting the intelligent and digital development of flue gas denitration systems.

Keywords： flue gas; denitration; patent

0 引言

我國作為煤炭消費(fèi)大國，能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主［1］，煤炭在燃燒時(shí)會(huì)向大氣排放大量氮氧化物（NOx），人體在吸入超過3 ppm的NOx后會(huì)出現(xiàn)刺激癥狀，在吸入大于300 ppm的NOx會(huì)出現(xiàn)呼吸困難的癥狀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有生命危險(xiǎn)。此外，在“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)下，NOx的有效控制對(duì)增進(jìn)民生福祉具有重要意義。

自20世紀(jì)70年代以來，我國不斷加大對(duì)煙氣脫硝技術(shù)的研究，涵蓋催化劑、脫硝反應(yīng)工藝及反應(yīng)機(jī)理等諸多方面，技術(shù)水平與國際接軌，取得了較為豐碩的成果［2］。近年來，隨著我國專利制度的完善，專利作為本領(lǐng)域前沿技術(shù)的代表之一，逐漸受到學(xué)者們的重視。然而，關(guān)于煙氣脫硝技術(shù)的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)仍然缺乏專利數(shù)據(jù)的支撐?；趯＠治鑫覈鵁煔饷撓跫夹g(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，有利于明確我國煙氣脫硝技術(shù)的研究熱點(diǎn)，指導(dǎo)節(jié)能減排工作?；诖?，本研究針對(duì)近年來我國煙氣脫硝領(lǐng)域的專利發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 我國煙氣脫硝專利發(fā)展趨勢(shì)

1.1 數(shù)據(jù)來源及檢索要素

本研究采用國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析系統(tǒng)進(jìn)行檢索，利用智慧芽專利數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補(bǔ)充檢索，并以IPC分類號(hào)B01D53/00（廢氣，如發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣、煙氣、煙霧、煙道氣或氣溶膠的化學(xué)或生物凈化）為主要檢索要素，以煙氣、脫硝、SCR、SNCR等關(guān)鍵詞為補(bǔ)充檢索要素，得到煙氣脫硝技術(shù)相關(guān)專利。由于專利文獻(xiàn)從提出到公開需要一定時(shí)間，故本研究數(shù)據(jù)檢索截止日為2023年12月31日，本研究的數(shù)據(jù)不能代表我國煙氣脫硝領(lǐng)域全部的專利申請(qǐng)量。

1.2 專利申請(qǐng)數(shù)量分析

我國煙氣脫硝領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的年度變化趨勢(shì)如圖1所示。分析可知，煙氣脫硝技術(shù)的發(fā)展按專利申請(qǐng)量趨勢(shì)可以分為以下3個(gè)階段：

①萌芽階段（2009年以前）。煙氣脫硝技術(shù)始于20世紀(jì)50年代。在其發(fā)展初期，主要被美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家掌握，而我國在70年代才真正意義上開始關(guān)注脫硝技術(shù)。但由于當(dāng)時(shí)社會(huì)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)水平的制約，人們的環(huán)保意識(shí)較為淡薄，我國在該階段主要依靠引進(jìn)國外脫硝技術(shù)，脫硝設(shè)備國產(chǎn)化程度低，中國本土從事脫硝行業(yè)的企業(yè)也較少，加之我國專利制度正處于起步階段，我國在此階段關(guān)于煙氣脫硝技術(shù)的專利申請(qǐng)量較少，脫硝技術(shù)發(fā)展也較為緩慢。

②快速發(fā)展階段（2009—2020年）。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化水平的顯著提高，大氣污染狀況日益嚴(yán)重，酸雨及霧霾問題逐漸引起社會(huì)各界關(guān)注。同時(shí)，2011年比歐盟相關(guān)規(guī)定要求更高的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》出臺(tái)。該標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了對(duì)煙氣排放的監(jiān)管，大幅提高了煙氣脫硝的標(biāo)準(zhǔn)，即所有新建火電機(jī)組的NOx排放量不得超過100 mg/m3?？梢姡琋Ox的排放控制已成為國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的迫切需求，相關(guān)企業(yè)的脫硝需求增加，行業(yè)熱度顯著上升，關(guān)于煙氣脫硝的工程技術(shù)研究也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。在此階段，我國綜合國力不斷提升，自主研發(fā)力度不斷加強(qiáng)，越來越多的高校及科研院所積極研發(fā)相應(yīng)的工藝技術(shù)和材料，并逐漸與國際相接軌。數(shù)值模擬、計(jì)算流體力學(xué)等新興技術(shù)也被應(yīng)用于煙氣脫硝工藝的研究中，掀起了煙氣脫硝技術(shù)發(fā)展的高潮。此外，我國專利制度也逐漸完善，使得此階段關(guān)于煙氣脫硝技術(shù)的專利申請(qǐng)大幅度提高。

③平穩(wěn)發(fā)展階段（2021年至今）?，F(xiàn)階段，對(duì)于煙氣脫硝反應(yīng)機(jī)理的理論研究在學(xué)術(shù)界已基本達(dá)成一致，煙氣脫硝的工藝技術(shù)也日漸成熟，取得了較為豐碩的成果。如何開發(fā)更加高效的催化劑材料和更加節(jié)能降本的工藝或裝置成為此階段的研究重點(diǎn)。圍繞該研究重點(diǎn)，煙氣脫硝專利處于平穩(wěn)發(fā)展階段。

1.3 主要申請(qǐng)人分析

煙氣脫硝技術(shù)專利申請(qǐng)量在全國排名前10的主要申請(qǐng)人如圖2所示。由圖2可知，西安熱工研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“西安熱工院”）的專利申請(qǐng)量最高，該研究院是原國家電力公司直屬的唯一從事發(fā)電廠熱能動(dòng)力科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)的科研機(jī)構(gòu)，擁有國家發(fā)展和改革委員會(huì)設(shè)立的電站鍋爐煤清潔燃燒國家工程研究中心，院內(nèi)還設(shè)有碩士學(xué)位授予點(diǎn)和博士后工作站，科技隊(duì)伍實(shí)力雄厚。在此背景下，結(jié)合我國主要通過火力發(fā)電，且火電廠是大氣中NOx主要來源之一的社會(huì)現(xiàn)狀，西安熱工院成為煙氣脫硝技術(shù)專利申請(qǐng)量最多的申請(qǐng)人。同時(shí)，分析可知，專利申請(qǐng)量最高的10位申請(qǐng)人中有8位是能源領(lǐng)域的大型企業(yè)，且這些企業(yè)在生產(chǎn)過程中均會(huì)不可避免地產(chǎn)生NOx，從而推動(dòng)企業(yè)不斷研究煙氣脫硝的新工藝、新技術(shù)。并且，前10位申請(qǐng)人大部分為企業(yè)及高校，也反映了在煙氣脫硝專利技術(shù)領(lǐng)域，企業(yè)和高校有更多的人力和物力進(jìn)行技術(shù)更新，引領(lǐng)著煙氣脫硝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 煙氣脫硝技術(shù)路線分析

煙氣脫硝，是指把已生成的NOx還原為N2，從而脫除煙氣中的NOx。目前煙氣脫硝技術(shù)可大致分為濕法和干法兩大類。相比于濕法脫硝，干法脫硝投資少，效果好，設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，在實(shí)際應(yīng)用中受到更多青睞。干法脫硝技術(shù)主要包括選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）、非選擇性催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）和低溫等離子法等。而在實(shí)際應(yīng)用中，受成本及反應(yīng)效率的約束，前2種方法的應(yīng)用較為廣泛［3-4］。因此，結(jié)合我國現(xiàn)階段煙氣脫硝專利現(xiàn)狀，本研究從SNCR脫硝工藝的發(fā)展、SCR脫硝工藝的發(fā)展及新工藝新方法的應(yīng)用等3個(gè)方向?qū)ξ覈鵁煔饷撓鯇＠夹g(shù)路線進(jìn)行分析。

2.1 SNCR脫硝工藝的發(fā)展路線

SNCR是一種成熟的低成本脫硝技術(shù)，該技術(shù)以爐膛或者水泥行業(yè)的預(yù)分解爐為反應(yīng)器，將含有氨基的還原劑噴入爐膛與煙氣中的NOx反應(yīng)，生成氨和水。此種方法雖然具有投資成本低，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但NOX的脫除效率易受反應(yīng)溫度、NH3與NOX的化學(xué)計(jì)量比、混合程度和反應(yīng)時(shí)間等因素制約。因此，設(shè)計(jì)合理的SNCR工藝是達(dá)到高NOx脫除效率的研究重點(diǎn)。

SNCR技術(shù)已經(jīng)過了數(shù)十年的研究和發(fā)展。在SNCR技術(shù)中，溫度對(duì)此還原反應(yīng)的影響很大，一般SNCR脫硝技術(shù)反應(yīng)的窗口溫度為850～1 050 ℃［5］，關(guān)于其最佳反應(yīng)溫度已基本達(dá)成共識(shí)，普遍認(rèn)為在950 ℃左右加入還原劑會(huì)實(shí)現(xiàn)較好的脫硝效果。因此，近年來，關(guān)于SNCR技術(shù)研究多數(shù)集中在反應(yīng)裝置的優(yōu)化上，以期獲得更佳的反應(yīng)工藝條件。例如，江蘇東圖自動(dòng)化設(shè)備有限公司在專利CN116272324A中公開了一種SNCR煙氣脫硝裝置，通過螺旋排煙片和由多層環(huán)狀的環(huán)形噴淋管所構(gòu)成的尿素噴槍的配合，改進(jìn)了尿素溶液與煙氣的接觸深度，提高了兩者的接觸時(shí)間和接觸效率，保證了尿素與煙氣中所含有的氮氧化物的反應(yīng)，提高了氮氧化物的脫除效率。再如，福建龍凈環(huán)保股份有限公司在2016年提出了一種SNCR煙氣脫硝的方法（CN106268261A），該發(fā)明在循環(huán)流化床鍋爐爐膛上部、旋風(fēng)分離器入口水平煙道和旋風(fēng)分離器煙氣出口處分別噴射還原劑，實(shí)現(xiàn)了還原劑噴射系統(tǒng)的分區(qū)實(shí)時(shí)控制，同時(shí)可根據(jù)脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度與循環(huán)流化床鍋爐負(fù)荷的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)還原劑的噴入量，從而達(dá)到鍋爐SNCR脫硝系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，隨著數(shù)字模擬技術(shù)的出現(xiàn)，也逐漸有申請(qǐng)人將數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用于SNCR技術(shù)的研究中。國能南京電力試驗(yàn)研究有限公司在專利CN116382392A中將數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用于電站煤粉鍋爐的SNCR工藝研究，該發(fā)明基于數(shù)字模擬計(jì)算運(yùn)行工況下爐膛內(nèi)的SNCR噴氨區(qū)的煙氣溫度分布，保證了對(duì)爐內(nèi)燃燒溫度整體分布的精準(zhǔn)分析與預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐負(fù)荷、溫度場(chǎng)變化的快速響應(yīng)和跟隨，提高了脫硝效率，降低了還原劑消耗，實(shí)現(xiàn)了SNCR系統(tǒng)噴氨的精準(zhǔn)控制。而發(fā)明專利CN114067933A公開了一種水泥SNCR智慧運(yùn)維方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了SNCR系統(tǒng)的智能化控制，SNCR脫硝效果更精準(zhǔn)。

在SNCR脫硝工藝中，由于反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)效果影響巨大，工藝條件的優(yōu)化起著至關(guān)重要的作用。反應(yīng)裝置的不斷優(yōu)化，以及一些數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了SNCR脫硝技術(shù)的發(fā)展。

2.2 SCR脫硝工藝的發(fā)展

SCR脫硝技術(shù)是利用催化劑在氧氣存在的條件下，通過氨、CO或碳?xì)浠衔锏冗€原劑，將煙氣中的NO還原為N2。相比于SNCR技術(shù)，SCR脫硝技術(shù)不需要較高的反應(yīng)溫度，同時(shí)又具有效率高、選擇性能好、可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，能滿足越來越嚴(yán)苛的NOx排放要求，是現(xiàn)階段發(fā)展前景最好的固定源脫硝技術(shù)。

SCR脫硝技術(shù)中最重要的部分便是催化劑的引入。專利CN1475305A中提出了一種以V2O5為活性組分，以活性炭為支撐體制備的整裝蜂窩脫硝催化劑；專利CN1792455A以蜂窩狀活性炭為載體，以鐵、錳、釩的一種或幾種金屬氧化物為催化活性組分；專利CN101554581A則以氧化鋁、氧化鋯為載體，以銀、鈀貴金屬為催化活性組分。然而，上述催化劑雖然具有較好的低溫活性，但其低溫抗中毒性能均較差且制備成本較高。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效、無毒、廉價(jià)的煙氣脫硝催化劑已成為我國煙氣脫硝技術(shù)的重要課題。南京工業(yè)大學(xué)在專利CN102008952A中提出了一種以錫鈰鎢復(fù)合氧化物為催化劑活性組分，鈦鋯復(fù)合氧化物為載體，蜂窩陶瓷為支撐體的復(fù)合金屬氧化物催化劑，降低了催化劑成本；上海大學(xué)在專利CN114505082A中公開了一種低溫氨選擇性催化還原氮氧化物催化劑的新型制備方法，制備出的催化劑具有優(yōu)異的氨選擇活性、良好的抗多重中毒性能。在不斷開發(fā)更加高效的新型催化劑的同時(shí)，一些研究者也將注意力放在SCR脫硝反應(yīng)器的優(yōu)化上。中國石油化工股份有限公司在專利CN205164505U中提出了一種鍋爐煙氣選擇性催化脫硝裝置，使得鍋爐煙氣的NOx排放濃度由440 mg/Nm3降低到100 mg/Nm3以下；西安熱工研究院有限公司的專利CN113426295A利用焦廠既有的熱源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脫硝，在不需要額外增加加熱設(shè)備、不增加持續(xù)的投資及不增加處理煙氣量的前提下提高了換熱效率，實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)tSCR催化劑在線熱再生。

2.3 煙氣脫硝技術(shù)新工藝新方法的發(fā)展

從以上兩種發(fā)展路線可看出，SNCR和SCR技術(shù)雖然有著各自的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，但SNCR技術(shù)的脫硝效率較差且反應(yīng)條件較為苛刻，SCR技術(shù)由于催化劑的使用存在著生產(chǎn)成本高的缺陷?；诖?，不斷有學(xué)者探索煙氣脫硝技術(shù)的新工藝和新方法，以進(jìn)一步提高脫硝效率，降低生產(chǎn)成本。

南京凱盛國際工程有限公司的專利CN217220894U，提出在SNCR脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上耦合中溫SCR脫硝技術(shù)，該方法將SNCR和SCR技術(shù)協(xié)同配合，大幅提高了脫硝效率，并極大減少了催化劑的用量，降低了運(yùn)行成本，且不必額外配置氨熱解或蒸發(fā)設(shè)備，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，大大降低了投資成本。除此之外，云南馳宏鋅鍺股份有限公司在專利CN116651185A中提出了一種新的脫硝方法，該方法將臭氧引入脫硝反應(yīng)并結(jié)合脫硝吸收劑從而實(shí)現(xiàn)脫硝，無特定溫度要求，也不必加入催化劑，可有效降低脫硝成本。北京大學(xué)在專利CN102908883A中采用100～300 nm的紫外線對(duì)煙氣進(jìn)行輻照，實(shí)現(xiàn)煙氣的同時(shí)脫硫脫硝，且不會(huì)產(chǎn)生二次水污染和固體廢棄物污染。

綜上所述，煙氣脫硝專利技術(shù)的發(fā)展路線清晰，但在未來發(fā)展過程中仍然存在多種可能。首先，催化材料正蓬勃發(fā)展，在催化材料的改進(jìn)上仍亟待突破，以尋求傳質(zhì)效率更高和制備成本更低的新型催化材料。其次，在反應(yīng)器系統(tǒng)方面，新興的人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，如何將新技術(shù)融入反應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)的智能化、精細(xì)化控制，也是值得研究的問題之一。最后，現(xiàn)階段國家大力倡導(dǎo)綠色經(jīng)濟(jì)，探索開發(fā)更加綠色便捷的生物質(zhì)脫硝技術(shù)也是未來的發(fā)展方向之一。

3 結(jié)語

通過對(duì)我國近年來煙氣脫硝技術(shù)的專利分析可知，傳統(tǒng)的干法脫硝技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，各種新型的催化劑和反應(yīng)工藝層出不窮。目前我國煙氣脫硝技術(shù)專利主要集中在如何提高反應(yīng)效率，降低運(yùn)行成本，并減少對(duì)環(huán)境的危害等方面。雖然現(xiàn)有的專利技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了降本增效，但仍存在設(shè)備結(jié)垢、腐蝕和氨逃逸導(dǎo)致的二次污染等問題，尤其是在深度脫硝方面還存在技術(shù)瓶頸，這也對(duì)脫硝技術(shù)的發(fā)展提出新的挑戰(zhàn)。基于此，在實(shí)際應(yīng)用中，要時(shí)刻關(guān)注國內(nèi)外相關(guān)的先進(jìn)專利技術(shù)研究，探索更加綠色高效的脫硝技術(shù)，同時(shí)借助智能化、大數(shù)據(jù)技術(shù)，推動(dòng)煙氣脫硝系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，助力我國煙氣脫硝領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)實(shí)現(xiàn)新突破，取得經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)的雙贏，推動(dòng)我國乃至全球環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

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