采用等離子體氣化技術處理垃圾的專利分析

劉慧娟 劉浩亮（等同第一作者）

（國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津300304）

1 概述

目前，我國的垃圾處理方法主要有三種：填埋法、堆肥法和焚燒發電法[1]。但是在垃圾越來越多的情況下，填埋法、堆肥法面臨著無處可埋，無處可堆的局面，焚燒法雖然可以減少占地，焚燒發電帶來經濟效益，但是容易產生二噁英 、呋喃等致癌物，飛灰和殘渣污染水源，大量煙氣會污染空氣等。因此尋找一種新型的綠色環保適合垃圾處理的技術迫在眉睫。等離子氣化技術作為一種全新的技術[2]尤其適合于垃圾的處理。

等離子體氣化就是利用等離子火炬或火爐將廢物加熱至超高溫，由于粒子的運動能量遠大于分子間化學鍵的能量，使得原有的物質被破壞變成原子狀態，復雜的物質就轉化為簡單的物質。對于垃圾而言，等離子炬產生的高強度熱源（5500℃以上）能把其中的有機物成分完全氣化變成CO 和H2，把其中的無機物成分變成玻璃體殘渣，減容率可達95%以上，從而基本實現垃圾處理的零污染物排放。

本文將以專利視角切入，對采用等離子體氣化技術處理垃圾的相關專利申請數量、年申請量趨勢、國別分布等進行分析，以揭示采用等離子體氣化技術處理垃圾的研究方向及研究重點。

2 專利申請情況統計分析

2.1 國內外申請量分布情況

1990 年1 月1 日-2017 年12 月31 日間，中國、美國、歐洲、日本、韓國及俄羅斯涉及采用等離子體氣化技術處理垃圾專利申請共計653 件，圖1 為各國申請人申請量分布圖。圖2 為各國申請逐年分布圖。

從圖1 及圖2 中可以看出，雖然我國起步較晚，但申請量增長較快，截止2017 年底中國的申請總量位居世界第一，專利申請量有253 件，尤其從2006 年起顯示出極高的研發活躍度。其次申請總量位居世界第二的美國，專利申請量有163 件，等離子體氣化用于垃圾處理技術起源于美國，并且從圖2 中也可以看出，等離子體氣化用于垃圾處理技術在美國也一直保持著平穩的研發活躍度。而且，由圖2 可見，中國、美國、歐洲、日本、韓國及俄羅斯申請總量呈上升趨勢，這也說明了越來越多的研究者投入了等離子體氣化技術處理垃圾的研究當中。

2.2 國內外申請人分布情況

等離子體氣化用于垃圾處理技術的主要申請人如圖3 所示。從圖3 主要申請人分布來看，涵蓋了企業、個人和科研機構，并且遍布國內外，其中申請量最多的是周開根39 件，中國東方電氣集團有限公司22 件緊隨其后。另外，申請主要還是集中在企業申請，這也說明等離子體氣化技術用于垃圾處理具有較大的商業價值。

圖1 各國申請量分布圖

圖2 各國申請量逐年分布圖

圖3 主要申請人分布圖

2.3 主要技術分支分析

具體分析國內外采用等離子體氣化技術處理垃圾領域申請的技術分支，專利申請主要集中在C10J 涉及氣化技術，而當前的垃圾氣化處理主要是氣化熔融焚燒處理，因此有一部分專利申請集中在F23G 涉及焚化爐，廢物的焚毀，由于此次研究的對象主要是垃圾，因此，固體廢物的處理的技術分支B09B 也是申請量比較大的技術分支。

3 國內外重點專利狀況

美國的RESORPTION CANADA 公司在1992 年申請的專利US5280757A 公開了了一種城市生活垃圾處理工藝，其采用了等離子焊弧炬作為密閉反應器中的獨立熱源，進而氣化城市固體廢物并產生中等質量的氣體產物和具有較低有毒元素的惰性爐渣，氣體產物中半揮發性有機化合物如二噁英和呋喃含量較低。

中國的周開根在2008 年申請的專利CN101306796A 公開了一種垃圾原料轉化為高熱值合成氣的等離子體氣化設備，其為一種集烘干、熱解、氣化、燃盡為一體的逆流式氣化反應爐，采用等離子體技術，把水蒸汽送入等離子體噴槍加熱到3100℃以上的溫度，在不用空氣和氧氣助燃的條件下獲得高熱值的產品。

美國的阿爾特NRG 公司在2009 年申請的專利US20100199560A1 公開了一種等離子氣化反應器，其具有從底部向上的錐形壁，底部部分包含碳質床，通過等離子體炬將等離子體注入其中的碳質床至容器進而有利于反應的徹底性和可提高有用反應產物的收率。

中國的中國東方電氣集團有限公司在2015 年申請的專利CN104449875A 公開了一種等離子輔助加熱熔融氣化反應器，由于現有的等離子垃圾氣化技術耗電過高導致成本增加，本發明利用等離子體炬作為高品質外熱源將生活垃圾熱解氣化后產生的灰渣熔融，并將氣化后的合成氣重整，進而去除了可能產生的有害物質。

4 結論

由于等離子體氣化技術由于原料適用范圍廣、具有無害化和資源化特點且可以滿足嚴苛的排放標準要求，具有廣闊的發展前景。然而，由于等離子體耗電高導致垃圾氣化成本增加，嚴重制約了等離子體氣化技術應用于垃圾處理的發展，并且，等離子體氣化往往氣化溫度較高，對氣化爐的材質要求也高。因此，降低等離子體的成本及等離子體低溫化氣化是今后研究的重點。