基于专利情报分析的工业烟气清洁技术发展态势研究

刘 锦 曹哲统 秦雅楠 张 玉

1 北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2 北京市自动化物流装备工程技术研究中心 北京 100007 3 中国农业机械化科学研究院集团有限公司 北京 100083

0 引言

作为世界上最大的一次能源消费国家，我国资源禀赋决定了以煤为主的一次能源消费结构难以改变[1]。2022 年我国全年能源消费总量达53.9 亿t 标煤，相比2021 年同比增长2.9%[2]，与此同时，为及时治理工业化进程加快所带来的煤烟型污染、光化学污染和酸雨等一系列污染问题，钢铁和水泥等重点攻坚行业将进入超低排放倒计时，其相关烟气清洁的课题亦将呈现新的发展态势。

本文运用专利分析法量化专利信息，对工业烟气清洁技术的研发态势开展宏观研究，以期为相关机构提供竞争情报，为行业发展提供数据支撑。首先收集关键词，构建检索式获取专利数据，基于行业技术分解，归纳脱硫和脱硝等各项典型烟气清洁技术，对专利申请量时间演变特征、申请人分布特征精细分析，探讨行业整体发展进程；其次对工业烟气污染物一体化清洁的热点技术进行汇总分析；最后为国内工业烟气污染物一体化清洁的研究方向及专利申请策略提出一些建议。

本文以智慧芽专利数据库为引擎检索专利，该平台覆盖105 个国家、地区及国际组织，收录了超过1 亿份专利文献。使用中国知网、万方数据库等引擎及Origin等工具辅助检索与处理数据。

1 行业历年专利申请分布趋势分析

文章设置检索时间范围为2001 年1 月～2022 年12 月，检索日期为2023 年2 月1 日。根据工业烟气清洁技术相关的基本关键词，按类进行整理归纳和搭配，最后按照智慧芽数据库的检索式表达要求，得出以下检索式为

TS= ( (烟气) OR (烟雾) OR (废气)) AND ((清洁)OR ( 净化)) AND ( ( 硫) OR (SO2) OR (H2S) OR ( 硝)OR (氮氧化物) OR (NOX) OR (NO) OR (NO2) OR (NH3)OR (汞) OR (铅) OR (铜) OR (铬) OR (镉) OR (砷)OR (重金属) OR (一氧化碳) OR (VOC) OR (有机废气)OR (甲硫醇) OR (甲硫醚) OR (二甲二硫醚) OR (二噁英) OR (苯乙烯) OR (粉尘) OR (颗粒) )

输入上述检索式进行检索后，将显示结果调整至每件申请只显示一个公开文本，规避数据的重复计算，通过分析国际专利分类号(International Patent Classification，IPC)下的专利内容，利用分类号筛除不相关记录，共找到193 027 件专利，检索过程坚持检索→验证→分析原因→继续检索→验证的循环反复原则，直至检索式达到查全、查准要求为止。

1.1 专利申请时间演变特征分析

本文对比了近20 a 工业烟气清洁技术专利申请趋势（见图1），在2003 年，工业烟气清洁产业已进入萌芽期。2005 年开始，专利申请量一直平稳增长，一方面与当时知识产权总体数量较少存在必然联系，另一方面反映出该领域技术不断进步，但尚未进入爆发式增长阶段。2012 年～2020 年，专利申请量进入高速发展期，并在2020 年达到峰值，反映了全球工业烟气清洁行业愈发重视原始创新，创新能力逐步加强，这归功于世界各国大力推行新政策。2021 年，专利申请量有所下降，形成这种趋势的原因是多样的。首先，申请量位居世界第一的中国近年来在专利申请整体监管方面，加大了优化申请结构和提高申请质量的力度，各申请人已将专利申报理念由重数量转变为重质量，积极培育高质量专利，因此总申请量得到控制；其次，工业烟气清洁技术发展可能进入平台期，部分新技术的专利布局进入扫尾阶段，此阶段实现原始创新难度较大。另外，考虑到2022 年的专利申请可能并未完全公开，申请量增长趋势今后可能会有所回暖。

图1 近20 a 工业烟气清洁技术专利申请趋势图

经过行业技术分解，分别对脱硫、脱硝、脱除重金属、脱除挥发性有机物（VOCs）和除尘等各类典型工业烟气清洁技术专利申请趋势进行对比（见图2），可以看出各类技术的专利申请量均在近10 a 经历了快速增长时期，并于2020 年达到峰值，其中除尘技术需求较大且实现方式较为多样化，故其专利申请总量最大；脱硫脱硝作为常规污染物脱除，也是传统烟气清洁技术的主要部分，专利申请总量仅次于除尘技术；VOCs 和重金属脱除技术针对非常规污染物，主要集中在特定行业的专项治理，例如电力行业的汞脱除、机动车尾气VOCs 污染治理等，故专利申请的总量相对较小。

图2 近20 a 各类典型工业烟气清洁技术专利申请趋势对比图

1.2 专利申请空间分布特征分析

本文统计了专利研发主体地域分布情况（见图3）。在国际上，工业烟气清洁技术国内申请人的申请量占据绝对主导地位，约占92.15%，主要因为中国为推进工业废气治理，出台了世界最严格的排放标准，涉及行业广泛，工业烟气清洁技术的研发成为长期研究课题，加上中国重视知识产权保护，专利申请量领跑全球，故其在专利申请方面呈现突出活跃度。此外，美国、日本和德国作为主要的申请国，也是烟气清洁技术发展较快的国家，具有一定的技术储备。

图3 专利研发主体地域分布图

统计工业烟气清洁技术专利申请量排名前10 位的申请人，重点申请人排名（见图4）中除了日本丰田自动车株式会社外，其他均为中国企业和高校，中国石化凭借着其在节能减排技术方面的领先优势名列前茅，是其多年来一直强调加强专利战略实施的必然结果。同时也可以看出，我国上榜的申请人中高校和科研院所居多，反映了我国烟气清洁技术相当一部分处于前期研发阶段，距离大规模产业化应用还有很长的路要走。

图4 重点申请人排名

对该领域专利集中度（见图5）进行分析可以看出，申请总量排名前10 位的申请人持有专利的总量占该领域的总专利申请量的比重不断降低，这反映出近年来该领域的竞争激烈程度不断增加，行业的垄断性持续降低，伴随着各高校、企业在本行业的探索与尝试，市场竞争日益激烈，形成了产业技术多元化发展的态势。

图5 专利集中度变化趋势

2 一体化清洁技术的专利情报分析

近年来，随着大气治理要求的严格化，仅靠单一技术的升级难以实现达标，烟气清洁技术已向一体化的协同处理发展[3]。本文对一体化清洁技术进行专利情报分析，设置检索的时间范围为 2001 年1 月～2022 年12 月，检索日期为2023 年2 月1 日。根据工业烟气清洁技术相关的基本关键词，按类进行整理归纳和搭配，同时进行一体化的限定，最后按照智慧芽数据库的检索式表达要求，得出检索式为

TS=((烟气) OR (烟雾) OR (废气)) AND ((清洁)OR (净化)) AND ( (一体化) 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 (铅) OR (铜)OR (铬) OR (镉) OR (砷) OR (重金属) OR (一氧化碳)OR (VOC) OR (有机废气) OR (甲硫醇) OR (甲硫醚)OR (二甲二硫醚) OR (二噁英) OR (苯乙烯) OR (粉尘)OR (颗粒) )

输入上述检索式进行检索后，将显示结果调整至每件申请只显示一个公开文本，规避数据的重复计算，再通过分析IPC 分类号筛除餐厨、电梯通风报警系统等不相关记录，进行降噪处理，共查询到12 627 件专利，其中11 629 项为中国专利。

2.1 热点技术分析

为调研烟气一体化清洁的热点技术、集中的应用领域和遇到的共性技术问题等，文章借助检索平台对这些专利的关键词进行智能提取，归纳高频关键词汇总图（见图6），出现频次最高的3 个关键词依次为：烟道气、塔式建筑、组合装置。可见烟气一体化清洁常用于处理工业化进程中的煤烟型污染，协同处理效果的达成以装置的组合串联为主。本文汇总了一体化清洁技术主要技术手段关键词分类（见表1），大部分技术方案为化工装置、化学试剂和涉及到的化学反应，例如优化催化剂配方，可见烟气一体化清洁的主要研发在化工领域比较集中。

表1 一体化清洁技术主要技术手段关键词分类

图6 高频关键词汇总图

专利的被引次数越多，说明越偏向基础性专利，相关技术方案的可参考性和实施性越强。文章按照相关专利被引用次数进行排序，将被引用次数前10 位专利申请（见表2）进行重点分析。可以看出，目前的基础技术一定条件下能实现脱硫脱硝等二合一，或脱硫脱硝除尘和脱硫脱硝除重金属等三合一的协同一体化脱除。相关技术多归属于IPC 大类的B01 一般的物理或化学的方法或装置，大致可分为一体化脱除装置和一体化脱除方法（包括催化剂研发），其中方法类专利申请更侧重理论基础，装置类一般为集成化设备，侧重于实际应用。

表2 一体化清洁技术主要技术手段关键词分类

被引用专利总数量排位第一的专利申请将烟气引入循环流化床反应器中，向其内喷入富氧高活性吸收剂，并给出吸收剂的配方，二氧化硫、氮氧化物和汞脱除效率分别超过90%、60%和50%，该设备简单、运行稳定、无废水排放。一种整体式催化剂及其制备方法和应用、一种炼化装置恶臭VOCs 气体的一体化处理方法这2 项专利申请3 a 内被引用次数最多，且申请日相对较新，可以认为是该领域的热点技术，前者涉及的催化剂可用于一体化脱除多种氮氧化物（NOx），虽然最终未获得授权，但却被引用于工业烟气、油烟机、空气净化器等多种应用场景，说明其具有较强的普适性；后者不仅能够有效地处理复杂成分的挥发性有机物，同时还可以脱除含硫、氮等废气，具有工艺流程简单、成本低和安全性好等优点，该申请被驳回，但被46 项专利申请引用，其中多半为已授权的国外专利。以上各项热点基础专利，当前法律状态均处于失效或驳回状态，未受到专利保护，公众可直接参照使用。

2.2 工业烟气一体化清洁技术的中国专利概况

基于文章构建的一体化清洁技术检索式，锁定受理局为中国，其中包括了中国本土申请的国内专利及其他国家进入中国申请的中国专利。经过删除相同专利的不同阶段文本和其他领域噪声，共查询到专利申请12 062 项。可见，随着中国出台了世界最严格的排放标准，治理力度不断扩大，中国该领域的专利申请量已相当庞大。

本文汇总了国内申请人地区分布，在本土专利申请中，来自中国申请人的专利主要分布于江苏、北京、广东等省份，其中江苏省拥有1 816 件专利，占到所有专利申请的15.06%，可以说是我国一体化烟气清洁技术强省。除了本土的专利申请，中国专利局受理最多的国外申请人为日本专利申请人，可见本领域日本申请人对于进入中国市场，开展专利布局的策略已较早开始践行。

汇总本领域专利申请法律阶段占比如图7 所示，中国虽然申请了大量专利，但绝大部分是在最近几年大气治理热潮兴起后申请的，很多专利申请还在实审阶段，所申请的专利也以商业应用为主。另外，中国一体化烟气清洁领域专利申请数量庞大，但是质量还有待提高，大量专利因缺乏申请条件而被撤回或驳回。

图7 专利申请法律阶段占比

3 结语

早在21 世纪初期，烟气清洁技术已进入萌芽期，经历了飞速发展阶段，至今相关技术的研发并未出现衰老迹象，未来若干年，更加高效、便捷的协同一体化烟气清洁技术仍将得到更大的发展空间。即便相关技术发展前景一片曙光，专利申请仍然存在授权率相对较低的问题，尤其是多项基础型专利均未被授权，在未能获取到专利权保护的前提下反而作为已公开的现有技术被多项文献引用，甚至多被国外文献引用，造成了一定的关键技术流失。此外，国内相关技术的研发方向比较分散，缺少成熟的一体化协同处置技术。为此，提出以下建议：

1）强化市场需求调研、策划专项治理实施方案

从本研究中发现，由于不同行业存在工艺差异，其烟气成分复杂多变、性质不同，各项参数波动范围大，急需研发含有腐蚀性成分多污染物的协同处理技术。建议申请人关注国家各项治理政策，跟进相关标准修订情况，把握各行业烟气超净排放具体要求，针对性制定专项治理方案。近年来，部分地方标准明显提高了SO2、NOx、颗粒物等大气污染物排放控制要求。尤其是非电行业的烟气治理需求巨大，对应NOx 和VOCs 协同处置等研发方向可重点关注。

2）深化产学研合作交流、推动科技成果转化

关于国内烟气清洁技术，企业、高校和科研机构的技术热点存在些许差异，部分高校如昆明理工大学、浙江大学等已获得大量相关技术的专利授权，可推进存在烟气污染物排放超标问题的企业与拥有高研发能力的研究院所、高校进行沟通合作，加速开发新型一体化烟气清洁技术，提高净化效率。

3）细化专利挖掘与科学布局、保持专利申请量理性增长

除了专利申请外，也要提高专利质量，重视审查意见答辩，进一步提高授权率，同时盘活专利实施、许可、转让、引进等工作，激发专利工作的创新思路，在国内外专利申请庞大存量的基础上不断提高专利经营利用水平。另外，建议重点关注丰田等国外龙头企业在中国的大量专利布局，采取相应的专利申报策略，尽量规避国外专利布局为国内相关技术带来的发展障碍，也可引进必要的核心技术专利，开展再挖潜、再创新。