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专利统计:脱硝催化剂技术现状及专利统计分析

添加时间:2016-12-26 13:43   编辑:admin   浏览:

脱硝催化剂是选择性催化还原烟气脱硝技术的关键,该文对SCR脱硝催化剂技术的国内外专利申请进行了统计分析,分析结果表面SCR脱硝催化剂技术共经历了三次技术周期,日本企业在脱销催化剂领域拥有核心技术,同时对我国在该领域的专利技术现状做了归纳和总结,介绍了我国在该领域的最新技术进展,并对我国SCR脱硝催化剂技术的发展提出了建议,政府应积极培育企业的创新能力,改变申请人的结构类型,促进企业和科研机构的协同创新,逐渐使企业成为掌握SCR催化剂核心技术的主体。

氮氧化物是锅炉和内燃机排放气体中的主要有害物质之一,氮氧化物对环境和人体健康有许多危害,是形成酸雨的重要污染物,与碳氢化合物可形成光化学烟雾。随着我国经济的不断发展,化石能源尤其是煤和石油的消耗量大幅增加,大气中氮氧化物的污染在日益加剧,与此同时,人民群众要求改善环境的呼声日趋高涨。因此如何实现氮氧化物的有效减排,成为一个亟待解决的问题。开发出具有自主知识产权的SCR催化剂,打破国外的技术垄断,对于我国SCR脱硝工艺的应用具有重要意义。该文以SCR(SCR,Selective Catalytic Reduction)脱硝催化剂技术在全球的专利申请数据为样本,分析了SCR催化剂的全球专利申请情况和国内专利技术现状,为该行业的发展提供一定的借鉴和指导。

1 SCR催化剂专利申请情况分析

专利文献与其他科技情报相比,具有科技信息量大、信息及时和能够精确反应科技发展动态和发展方向等特点。利用专利文献,可以精确地掌握同行业的技术动态和发展趋势。为此,我们采用全球知名的专利检索数据库Thomsoninnovation进行专利检索。检索采用关键词和分类号相结合的方式进行,检索年限自1956年起,最终检索日期为20130703。检索方式采用机检和人工筛选相结合的方式,最终确定3426专利族,以此作为分析的样本。由于专利申请公开滞后的原因,检索到的2012年和2013年的该领域专利申请量数据有所减少。

1.1 专利申请时间分布

图1显示了1956年至2013年间世界范围内SCR催化剂技术专利申请量和申请人数量的时间分布情况。从图1可以看出,SCR技术出现于20世纪中期,在1973-1977年产生第一个申请量高峰,在1991-1998年产生第二个申请量高峰,2008年到现在产生了第三个申请量高峰,目前正处在第三个申请量高峰周期的上升阶段。图1中3个不同的申请量高峰期也代表了SCR技术的三个技术生命周期。第一个技术生命周期在1975年前后,是日本首次将该技术大规模工业应用时期。第二个技术生命周期在1995年前后,是欧美等发达国家和地区大规模应用该技术的时期。第三个技术生命周期是以中国为代表的发展中国家注重环保,大规模应用环保技术的时期。图1中申请人数量的时间分布趋势同专利申请量的时间分布趋势相同。每个技术生命的黄金时期,均会吸引众多的科研人员和科研机构积极参与SCR技术的研究。相比前两次生命技术周期,目前处于的第三次技术周期申请人数量的增加量多于专利申请的增加量。说明了目前虽处于第三个技术周期的上升阶段,但平均每个申请人的创新能力低于前两周期,市场主体的创新能力总体呈波动下降趋势。这是由于本领域在经过长期研发之后,在找到新的突破之前,创新的难度增加,每个市场主体的创新能力减弱。但技术入门的难度下降,进入该领域的市场主体数量增加。但不可否认SCR催化剂日益显示出巨大的技术和市场增势,该领域的科研也越加活跃。

图2为1956年至2013年间中国、欧洲、美国、日本、韩国专利申请量的时间分布。通过图2可知,中国、欧洲、美国、日本、韩国是SCR催化剂技术研究最活跃的国家和地区,来自上述国家和地区的SCR催化剂技术专利申请占了该领域全球专利申请总量的90%以上。其中,20世纪两次技术周期本领域的专利主要由日本人申请,申请量高峰都主要为日本申请人的贡献,这表明了日本申请人在SCR催化剂技术领域具有绝对的优势,SCR催化剂技术的原始创新大部分来源于日本。图3为全球申请量前20名申请人情况,前4名均为日本企业,前10名中日本企业占据9个席位。但是从图2也可以看出,本世纪后,日本申请人申请量下降明显,欧洲、美国、中国、韩国申请人的申请量逐渐增加,特别是目前处于的第三个申请量高峰阶段,主要是中国申请人的贡献。这得益于中国政府出台的环保法规以及公众对环境保护的日益重视,使得大量科研机构、高校和企业投入到SCR催化剂的研究中,导致该领域中国专利申请量的猛增,相反在发达国家和地区,本领域技术相对成熟,加上国外经济发展速度降低,特别是几次经济危机和金融危机的影响,发达国家和地区对本领域的研发投入较少。此外,中国的专利政策也是促进中国专利申请人申请专利的主要动力之一。

1.2 申请人的类型分布

图4显示了SCR催化剂技术中国、欧洲、美国、日本、韩国专利申请的申请人类型分布情况,申请人类型分为企业、高校、科研单位、个人及合作。可以看出该领域中国专利申请的申请人即创新主体主要是高校,所占比例可达50%以上,企业较少,所占比例不足20%。相反,欧洲、美国、日本、韩国在该领域专利申请的创新主体主要为企业,企业申请专利量占申请总量的比例均高于70%,最高的日本甚至达到了90%以上。以上说明中国在SCR催化剂领域的研发仍处于初期阶段,技术成熟度较低,市场主体的企业对本领域技术掌握不充分,没有充分介入市场竞争中,而以企业为创新主体的发达国家和地区技术的成熟度相对较高。但是从另一侧面也可以说,在SCR催化剂领域中国市场上企业具有更广阔的发展空间。

1.3 专利申请方案的技术-功效分析

通过收集整理分析,笔者对国内外SCR催化剂专利文献按技术和功效不同进行了分类。技术分类包括催化剂配方、形状、制备、材料、再生、其他六类技术分支;功效分类包括提高活性、拓宽活性温度范围、提高选择性、同时脱硫脱氮、提高耐受性、三效催化剂、低成本、其他八类功效分支,具体如表1所示。通过表1可以看出,本领域中催化剂的功效分支中主要为提高催化剂的活性和耐受性,申请量分别为611件和255件,约占统计样本数量的52%和22%。这是由于脱硝的基本要求是排气中氮氧化物低于100 mg/m3,稳定地达到该技术要求,活性是基础,耐受性是保证。因此,上述两个技术功效的专利申请量占总申请量的比较大。本领域专利技术分类主要集中在催化剂配方的技术分支上,申请量高达906件,约占统计样本数量的84%,其次为催化剂材料技术分支,其余技术分支的专利数量比例大至相当。这与本领域的技术特点相对应,在本领域中,催化剂是多组分的有机配合综合体,不同组分、不同的配合方式等,是本领域的研究重点内容之一,并且此类技术方案的技术成果易于获得较强的专利保护,因此技术创新主体申请的专利多集中于该技术分支。催化剂制备技术分支也是本领域的重点研究内容,但由于此类技术内容申请专利后,其专利保护效力没有催化剂配方专利的专利保护效力强,因此市场主体选择的专利策略是以配方申请专利保护,以制备技术为技术秘密的综合知识产权保护策略。另外从整体上提高催化剂的功效主要是通过催化剂配方的技术分支得以实现,通过配方技术分支来提高功效的申请量达到906件,约占统计样本的78%。

2 SCR催化剂国内专利技术现状

通过分析国内专利文献可以发现,近年来我国申请人的申请总量很大,但是并不集中,而是分散于许多不同的申请人手中,人均申请量较少,无法形成有效的专利布局。如我国SCR催化剂技术领域专利申请量排名前列的浙江大学、清华大学、天津大学,累计申请量也仅为19件、17件和12件。此外,从技术方案上看,我国申请人的该领域专利申请多为对现有技术的小改进,特别是SCR催化剂制备方法及各组分配合和配比方面的改进所占的比重明显偏高,这说明我国在SCR催化剂领域缺少原创开拓性的专利申请,技术含量相对较低。

与此同时,我们也应该注意到,虽然我国申请人在整体的技术水平上与国外申请人仍存在较大的差距,但是随着我国在此领域的技术储备和沉积,我国申请人在SCR催化剂技术领域的创新上也不乏亮点。赵东元等[1]利用纳米自组装技术制备了介孔沸石分子筛材料。复旦大学研究人员利用固相纳米浇铸(Nanoing)和原位生成技术将活性组分组装到上述介孔沸石分子筛的孔道中,研发成功了适用于500 ℃高温烟气脱硝的催化剂,突破了国外技术在烟气脱硝领域的技术垄断。董长青等[2]创新性地将石墨烯技术应用到SCR催化剂的制备中。自行研制出MnO2-TiO2石墨烯-多孔无机陶瓷膜低温脱硝催化剂并掌握了板式SCR脱硝催化剂的关键制备技术[3-[5],打破了国外对板式SCR脱硝催化剂的技术封锁,形成了具有完全自主知识产权的成套板式脱硝技术。中国石化抚顺石油化工研究院在国内率先研制了适用于催化裂化烟气脱硝的蜂窝状SCR催化剂[6-7]。该催化剂以纳米二氧化钛为载体,V、W金属作为催化剂活性组分,采用直接挤出成型方法制备,具有良好的脱硝活性,强度明显优于国外参比剂,催化活性和选择性达到国外参比剂的先进水平。上述催化剂在中石化建成的国内首套工业化催化裂化烟气脱硝成套装置中的应用结果表明,NOx去除率50%~70%,最高达90%以上,每年可减排NOx 206 t。目前,我国约有150~160套催化裂化装置,仅中石化就有50多套,因此中国石化抚顺石油化工研究院研制的适于催化裂化烟气脱硝的蜂窝状SCR催化剂的成功应用具有重要的意义和广阔的应用前景。

3 结语

SCR脱硝催化剂技术自20世纪70年代以来已发展多年,世界范围内的该领域专利申请量不断增长。由于专利权的保护期为至申请日起20年,国外申请人在前两次技术周期内申请的SCR催化剂核心专利目前处于已过保护期或临近过保护期的状态,国外企业的技术壁垒对我国的影响已越来越小。认真研究SCR催化剂领域已过保护期或临近过保护期的核心专利,并在其基础上进行改进创新,对于推动SCR催化剂的国产化具有重要意义。虽然近些年国内申请人的该领域专利申请量相比其它国家增长更为迅猛,但是国内申请人多集中在高校,专利技术水平相对较低,产业化程度不高,缺乏专利布局。政府应积极培育企业的创新能力,改变申请人的结构类型,促进企业和科研机构的协同创新,逐渐使企业成为掌握SCR催化剂核心技术的主体。技术创新方面仍以SCR催化剂配方为研究热点、提高催化剂的活性稳定,但不能忽略对催化剂材料、催化剂再生技术、降低催化剂成本等其余技术-功效分支的研究,开发出适合我国国情的具有自主知识产权的SCR催化剂成套技术。

近年来,我国相继颁布实施了《火电厂大气污染排放标准》和《国家环境保护“十二五”规划》等多项国家标准和政策,公众也对环境保护提出了更高的要求,这也为我国SCR催化剂技术的发展提供了难得的机遇。我国SCR催化剂行业需要进一步加大技术研发投入,进一步推进产研结合,国内相关企业应制定合理的专利申请和保护策略,形成有效的原创核心专利,并促进专利技术进一步产业化,使我国在该领域逐渐完全摆脱长期依赖国外专利技术的困境。

关键词:专利,统计,脱硝,催化剂,技术,现状,及,脱硝,
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