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專利統計:脫硝催化劑技術現狀及專利統計分析
來源:科技創新導報  時間:2016年12月29日 聯系
  脫硝催化劑是選擇性催化還原煙氣脫硝技術的關鍵,該文對SCR脫硝催化劑技術的國內外專利申請進行了統計分析,分析結果表面SCR脫硝催化劑技術共經歷了三次技術周期,日本企業在脫銷催化劑領域擁有核心技術,同時對我國在該領域的專利技術現狀做了歸納和總結,介紹了我國在該領域的較新技術進展,並對我國SCR脫硝催化劑技術的發展提出了建議,政府應積極培育企業的創新能力,改變申請人的結構類型,促進企業和科研機構的協同創新,逐漸使企業成為掌握SCR催化劑核心技術的主體。

  氮氧化物是鍋爐和內燃機排放氣體中的主要有害物質之一,氮氧化物對環境和人體健康有許多危害,是形成酸雨的重要污染物,與碳氫化合物可形成光化學煙霧。隨著我國經濟的不斷發展,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,人民群眾要求改善環境的呼聲日趨高漲。因此如何實現氮氧化物的有效減排,成為一個亟待解決的問題。開發出具有自主知識產權的SCR催化劑,打破國外的技術壟斷,對於我國SCR脫硝工藝的應用具有重要意義。該文以SCR(SCR,Selective Catalytic Reduction)脫硝催化劑技術在全球的專利申請數據為樣本,分析了SCR催化劑的全球專利申請情況和國內專利技術現狀,為該行業的發展提供一定的借鑒和指導。

  1 SCR催化劑專利申請情況分析

  專利文獻與其他科技情報相比,具有科技信息量大、信息及時和能夠精確反應科技發展動態和發展方向等特點。利用專利文獻,可以精確地掌握同行業的技術動態和發展趨勢。為此,我們采用全球知名的專利檢索數據庫Thomsoninnovation進行專利檢索。檢索采用關鍵詞和分類號相結合的方式進行,檢索年限自1956年起,較終檢索日期為20130703。檢索方式采用機檢和人工篩選相結合的方式,較終確定3426專利族,以此作為分析的樣本。由於專利申請公開滯後的原因,檢索到的2012年和2013年的該領域專利申請量數據有所減少。

  1.1 專利申請時間分布

  圖1顯示了1956年至2013年間世界範圍內SCR催化劑技術專利申請量和申請人數量的時間分布情況。從圖1可以看出,SCR技術出現於20世紀中期,在1973-1977年產生第一個申請量高峰,在1991-1998年產生第二個申請量高峰,2008年到現在產生了第三個申請量高峰,目前正處在第三個申請量高峰周期的上升階段。圖1中3個不同的申請量高峰期也代表了SCR技術的三個技術生命周期。第一個技術生命周期在1975年前後,是日本首次將該技術大規模工業應用時期。第二個技術生命周期在1995年前後,是歐美等發達國家和地區大規模應用該技術的時期。第三個技術生命周期是以中國為代表的發展中國家注重環保,大規模應用環保技術的時期。圖1中申請人數量的時間分布趨勢同專利申請量的時間分布趨勢相同。每個技術生命的黃金時期,均會吸引眾多的科研人員和科研機構積極參與SCR技術的研究。相比前兩次生命技術周期,目前處於的第三次技術周期申請人數量的增加量多於專利申請的增加量。說明了目前雖處於第三個技術周期的上升階段,但平均每個申請人的創新能力低於前兩周期,市場主體的創新能力總體呈波動下降趨勢。這是由於本領域在經過長期研發之後,在找到新的突破之前,創新的難度增加,每個市場主體的創新能力減弱。但技術入門的難度下降,進入該領域的市場主體數量增加。但不可否認SCR催化劑日益顯示出巨大的技術和市場增勢,該領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催化劑技術研究較活躍的國家和地區,來自上述國家和地區的SCR催化劑技術專利申請占了該領域全球專利申請總量的90%以上。其中,20世紀兩次技術周期本領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,這表明了日本申請人在SCR催化劑技術領域具有絕對的優勢,SCR催化劑技術的原始創新大部分來源於日本。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,前10名中日本企業占據9個席位。但是從圖2也可以看出,本世紀後,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,特別是目前處於的第三個申請量高峰階段,主要是中國申請人的貢獻。這得益於中國政府出台的環保法規以及公眾對環境保護的日益重視,使得大量科研機構、高校和企業投入到SCR催化劑的研究中,導致該領域中國專利申請量的猛增,相反在發達國家和地區,本領域技術相對成熟,加上國外經濟發展速度降低,特別是幾次經濟危機和金融危機的影響,發達國家和地區對本領域的研發投入較少。此外,中國的專利政策也是促進中國專利申請人申請專利的主要動力之一。

  1.2 申請人的類型分布

  圖4顯示了SCR催化劑技術中國、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、高校、科研單位、個人及合作。可以看出該領域中國專利申請的申請人即創新主體主要是高校,所占比例可達50%以上,企業較少,所占比例不足20%。相反,歐洲、美國、日本、韓國在該領域專利申請的創新主體主要為企業,企業申請專利量占申請總量的比例均高於70%,較高的日本甚至達到了90%以上。以上說明中國在SCR催化劑領域的研發仍處於初期階段,技術成熟度較低,市場主體的企業對本領域技術掌握不充分,沒有充分介入市場競爭中,而以企業為創新主體的發達國家和地區技術的成熟度相對較高。但是從另一側面也可以說,在SCR催化劑領域中國市場上企業具有更廣闊的發展空間。

  1.3 專利申請方案的技術-功效分析

  通過收集整理分析,筆者對國內外SCR催化劑專利文獻按技術和功效不同進行了分類。技術分類包括催化劑配方、形狀、制備、材料、再生、其他六類技術分支;功效分類包括提高活性、拓寬活性溫度範圍、提高選擇性、同時脫硫脫氮、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,約占統計樣本數量的52%和22%。這是由於脫硝的基本要求是排氣中氮氧化物低於100 mg/m3,穩定地達到該技術要求,活性是基礎,耐受性是保證。因此,上述兩個技術功效的專利申請量占總申請量的比較大。本領域專利技術分類主要集中在催化劑配方的技術分支上,申請量高達906件,約占統計樣本數量的84%,其次為催化劑材料技術分支,其余技術分支的專利數量比例大至相當。這與本領域的技術特點相對應,在本領域中,催化劑是多組分的有機配合綜合體,不同組分、不同的配合方式等,是本領域的研究重點內容之一,並且此類技術方案的技術成果易於獲得較強的專利保護,因此技術創新主體申請的專利多集中於該技術分支。催化劑制備技術分支也是本領域的重點研究內容,但由於此類技術內容申請專利後,其專利保護效力沒有催化劑配方專利的專利保護效力強,因此市場主體選擇的專利策略是以配方申請專利保護,以制備技術為技術秘密的綜合知識產權保護策略。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分支得以實現,通過配方技術分支來提高功效的申請量達到906件,約占統計樣本的78%。

  2 SCR催化劑國內專利技術現狀

  通過分析國內專利文獻可以發現,近年來我國申請人的申請總量很大,但是並不集中,而是分散於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催化劑技術領域專利申請量排名前列的浙江大學、清華大學、天津大學,累計申請量也僅為19件、17件和12件。此外,從技術方案上看,我國申請人的該領域專利申請多為對現有技術的小改進,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所占的比重明顯偏高,這說明我國在SCR催化劑領域缺少原創開拓性的專利申請,技術含量相對較低。

  與此同時,我們也應該注意到,雖然我國申請人在整體的技術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域的技術儲備和沉積,我國申請人在SCR催化劑技術領域的創新上也不乏亮點。趙東元等[1]利用納米自組裝技術制備了介孔沸石分子篩材料。復旦大學研究人員利用固相納米澆鑄(Nanoing)和原位生成技術將活性組分組裝到上述介孔沸石分子篩的孔道中,研發成功了適用於500 ℃高溫煙氣脫硝的催化劑,突破了國外技術在煙氣脫硝領域的技術壟斷。董長青等[2]創新性地將石墨烯技術應用到SCR催化劑的制備中。自行研制出MnO2-TiO2石墨烯-多孔無機陶瓷膜低溫脫硝催化劑並掌握了板式SCR脫硝催化劑的關鍵制備技術[3-[5],打破了國外對板式SCR脫硝催化劑的技術封鎖,形成了具有完全自主知識產權的成套板式脫硝技術。中國石化撫順石油化工研究院在國內率先研制了適用於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,強度明顯優於國外參比劑,催化活性和選擇性達到國外參比劑的先進水平。上述催化劑在中石化建成的國內首套工業化催化裂化煙氣脫硝成套裝置中的應用結果表明,NOx去除率50%~70%,較高達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於催化裂化煙氣脫硝的蜂窩狀SCR催化劑的成功應用具有重要的意義和廣闊的應用前景。

  3 結語

  SCR脫硝催化劑技術自20世紀70年代以來已發展多年,世界範圍內的該領域專利申請量不斷增長。由於專利權的保護期為至申請日起20年,國外申請人在前兩次技術周期內申請的SCR催化劑核心專利目前處於已過保護期或臨近過保護期的狀態,國外企業的技術壁壘對我國的影響已越來越小。認真研究SCR催化劑領域已過保護期或臨近過保護期的核心專利,並在其基礎上進行改進創新,對於推動SCR催化劑的國產化具有重要意義。雖然近些年國內申請人的該領域專利申請量相比其它國家增長更為迅猛,但是國內申請人多集中在高校,專利技術水平相對較低,產業化程度不高,缺乏專利布局。政府應積極培育企業的創新能力,改變申請人的結構類型,促進企業和科研機構的協同創新,逐漸使企業成為掌握SCR催化劑核心技術的主體。技術創新方面仍以SCR催化劑配方為研究熱點、提高催化劑的活性穩定,但不能忽略對催化劑材料、催化劑再生技術、降低催化劑成本等其余技術-功效分支的研究,開發出適合我國國情的具有自主知識產權的SCR催化劑成套技術。

  近年來,我國相繼頒布實施了《火電廠大氣污染排放標准》和《國家環境保護“十二五”規劃》等多項國家標准和政策,公眾也對環境保護提出了更高的要求,這也為我國SCR催化劑技術的發展提供了難得的機遇。我國SCR催化劑行業需要進一步加大技術研發投入,進一步推進產研結合,國內相關企業應制定合理的專利申請和保護策略,形成有效的原創核心專利,並促進專利技術進一步產業化,使我國在該領域逐漸完全擺脫長期依賴國外專利技術的困境。

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