專利視角下的中國生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展分析

孫曉飛，周 云，趙鋆澤

(昆明理工大學 1.管理與經(jīng)濟學院；2.法學院, 昆明 650093；3.冶金與能源工程學院, 昆明 650504)

自第一次工業(yè)革命以來，人類對能源的需求與日俱增，隨著化石燃料開采量和消耗量的不斷增大，化石燃料資源的儲量正在加速下降，人類不得不面對能源枯竭的問題。近幾年，生物質(zhì)能作為一種清潔、高熱值的二次資源受到了廣泛的青睞。生物質(zhì)能的儲存量巨大，是全世界總耗能量的10～20倍，但是目前的利用率卻不到3%[1]。因此，生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)成為當下世界各地研究的熱點課題。在過去的研究中，雖然中國已經(jīng)在生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)方面取得了一定的進展，并且開發(fā)了相關的制備工藝，但是針對目前的技術(shù)現(xiàn)狀和工藝發(fā)展缺乏系統(tǒng)、全面的梳理，因此在如何實現(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的對接問題上缺乏一定的理論依據(jù)。本文總結(jié)歸納了近幾年中國生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展趨勢和情況，基于行業(yè)現(xiàn)狀，利用專利分析的方法對其發(fā)展進行全面、系統(tǒng)的評估，并且從產(chǎn)業(yè)應用與技術(shù)轉(zhuǎn)化的角度給生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化行業(yè)的發(fā)展提供一個可靠的參考依據(jù)。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

生物質(zhì)可以通過直接燃燒法、生物轉(zhuǎn)化法以及熱化學轉(zhuǎn)化法轉(zhuǎn)變成焦炭、生物油、燃氣等二次能源[2]。直接燃燒技術(shù)[3]是指通過焚燒垃圾等方式獲取熱量并用于發(fā)電或者供熱，雖然工藝技術(shù)簡單，但是對生物質(zhì)的利用率低，對環(huán)境污染大；生物轉(zhuǎn)化技術(shù)[4]是指通過填埋、發(fā)酵、沼氣等技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎文茉吹募夹g(shù)，生物轉(zhuǎn)化技術(shù)對環(huán)境污染小，但是生產(chǎn)周期長，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。而熱化學轉(zhuǎn)化法[5]由于具備了污染小、轉(zhuǎn)化率高、轉(zhuǎn)化周期短等優(yōu)點而受到了廣泛的關注。生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)是使生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在高溫、無氧條件下裂解生成小分子短鏈物質(zhì)，從而得到氣、液、固三種相態(tài)的產(chǎn)物。如圖1所示，熱解技術(shù)主要包括熱解技術(shù)、氣化技術(shù)以及液化技術(shù)。

在過往的研究中，很多國內(nèi)外的學者都曾以不同角度概述了生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的原理及其在實驗規(guī)模上的發(fā)展情況[6]。而這些技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用情況很難通過技術(shù)原理的綜述性文章獲取，因此，有必要從產(chǎn)業(yè)應用與技術(shù)轉(zhuǎn)化的角度分析各技術(shù)點的發(fā)展情況，用專利分析的方法對其發(fā)展進行全面分析，以此來為國內(nèi)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供一個可靠的參考依據(jù)。

圖1 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的工藝概況

2 數(shù)據(jù)來源以及處理

本文對國內(nèi)生物質(zhì)熱解技術(shù)的發(fā)展的分析主要依據(jù)IncoPat科技創(chuàng)新情報平臺進行的。檢索過程采用關鍵詞檢索與國際專利分類號(IPC分類號)相結(jié)合的方法，檢索方式為簡單檢索，檢索式為：TI=(生物質(zhì) or 生物能源 or 林業(yè)資源 or 生物炭 or 生物油 or 生物氣 or 生物燃料 or 生物柴油 or 燃料乙醇or 生物燃油 or 生物廢料or 生活垃圾 or 果殼 or 藻 or 木薯 or 大豆 or 玉米 or 糧食 or 木屑 or 小麥殼 or 稻殼or 生活垃圾 or 農(nóng)作物 or 甜高粱 or 糞便 or 小桐子 or 黃連木 or 油桐 or 刺槐 or 芒草 or 沙柳 or 文冠果 or 生物顆粒 or 麻瘋樹 or 秸稈 or biomass or bioenergy or forestry resources or biochar or bio-oli or biogas or biofuel or biodiesel or fuel ethanol or biofuel or biowaste or husks or wood chips or rice husks or domestic waste or crops or sweet sorghum or small tungs or pistacia or oil tung or bioparticle or straw) AND TI=(熱化學轉(zhuǎn)化 or 熱解 or 碳化 or 固化 or 氣化 or 液化 or 燃燒室 or 高溫反應器 or 流化床 or 燃燒爐 or 制碳 or 制氣 or 制液 or 制油 or 制焦 or 微波 or 共熱 or 干餾 or Thermochemical conversion or Pyrolysis or carbonization or solidification or gasification or liquefaction or combustion chamber or high temperature reactor or fluidized bed or combustion furnace or carbon production or gas production or liquid production or oil production or coke production or catalysis or microwave or co-heating or retorting ) AND (IPC=(C10 or F23 or F24 or B01 or C12 or C01 or C07 or C11 or C08 or C09 or C05 or A01 or F22 or F02 or C02 or B09 or F01))，經(jīng)篩選公開國別為“中國”，檢索結(jié)果經(jīng)篩選公開合并申請?zhí)柡螅瑢κＳ嗟膶＠谋具M行人工降噪處理，最后共有8319件符合要求的專利。(專利檢索的數(shù)據(jù)更新于2020年3月19日)。

3 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)專利分析

3.1 技術(shù)生命周期

利用專利指標法[7]對生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)進行生命周期分析，探究現(xiàn)階段整體技術(shù)所處生命周期階段。

3.1.1 專利指標法

專利指標法是一種運用相關專利技術(shù)指標分析技術(shù)生命周期的定性定量相結(jié)合的方法。相關指標的含義以及計算公式如下：

1)技術(shù)生長率(ν)，指某領域的發(fā)明專利申請量(授權(quán)量)占過去5年發(fā)明專利總申請量(授權(quán)量)的比例。計算公式如下：

ν=a/A

(1)

2)技術(shù)成熟系數(shù)(α)，指在該領域中，某一年的發(fā)明專利申請量(授權(quán)量)占當年發(fā)明專利與實用新型專利的總申請量(授權(quán)量)的比例。計算公式如下：

α=a/(a+b)

(2)

3)技術(shù)衰老系數(shù)(β)，指在該領域中，某一年的發(fā)明專利與實用新型專利的總申請量(授權(quán)量)占當年發(fā)明專利、實用新型專利、外觀設計專利的總申請量(授權(quán)量)的比例。計算公式如下：

β=(a+b)/(a+b+c)

(3)

4)新技術(shù)特征系數(shù)(N)。由技術(shù)生長率與技術(shù)成熟系數(shù)共同決定。計算公式如下：

(4)

式(1)-(4)中參數(shù)含義如下：

a—某技術(shù)領域當年發(fā)明專利申請量或授權(quán)量

A—某技術(shù)領域過去5年發(fā)明專利申請量或授權(quán)量

b—某技術(shù)領域當年實用新型專利申請量或授權(quán)量

c—某技術(shù)領域當年外觀設計專利申請量或授權(quán)量

通過計算技術(shù)生長率ν、技術(shù)成熟系數(shù)α、技術(shù)衰老系數(shù)β、新技術(shù)特征系數(shù)N四個指標在歷年的變化情況可以判斷該技術(shù)所處的階段，判斷依據(jù)如表1。

表1 技術(shù)生命周期與四個專利指標的關系

3.1.2 技術(shù)生命周期分析

利用專利指標法對過去30年內(nèi)中國生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的專利數(shù)據(jù)進行分析，并繪制相應的折線圖，如圖2所示。

圖2 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的技術(shù)生命周期指標

通過分析技術(shù)生長率ν折線可以看出，我國生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)領域總體呈現(xiàn)波動發(fā)展的趨勢，在1996年至2005年之間技術(shù)發(fā)展并不穩(wěn)定，呈現(xiàn)震蕩波動幅度較大的特點，2006年至2013年期間雖呈現(xiàn)下降趨勢，但專利申請數(shù)量逐年增加，在2014年至2018年技術(shù)生長率又呈現(xiàn)上升趨勢發(fā)展，說明該技術(shù)此時尚未成熟，仍處于技術(shù)生命周期中的成長期，在2013年突破了階段性技術(shù)瓶頸后，技術(shù)又呈現(xiàn)發(fā)展趨勢。

通過對技術(shù)成熟系數(shù)α折線和新技術(shù)特征系數(shù)N折線進行分析，可以看出兩條折線總體均呈現(xiàn)出震蕩上升的特點，圖2共有4次相對重要的快速發(fā)展期，分別發(fā)生在1996年、2005年、2008年、2014年左右，其中2005年和2014年以后大量相關專利開始涌現(xiàn)。自2018年開始ν、α、N系數(shù)均略有下降趨勢，技術(shù)創(chuàng)新難度逐漸提高、現(xiàn)有技術(shù)趨于穩(wěn)定，但仍有大量可突破空間；通過分析抗衰老系數(shù)β折線，可以看出該系數(shù)在前期出現(xiàn)波動，但后期整體穩(wěn)定在1，說明中國生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)仍處于成長期。

3.2 技術(shù)發(fā)展趨勢

通過利用上述方法篩選出的8 319件專利的申請日期進行歸納、整合，并且篩選出三項子技術(shù)的專利申請數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入Origin 7.5后繪制了新增專利申請數(shù)量隨年份變化的曲線圖如下，如圖3(a)所示，熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)自上世紀90年代開始萌芽，在2005年以前，年專利申請量增長緩慢，此時技術(shù)處于初步探索階段，2005年以后生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)得到飛速發(fā)展。而2013年到2018年之間發(fā)展速度相對緩慢。此外，由圖3(a)可以曲線在增長過程多次出現(xiàn)了波動，說明熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)在發(fā)展過程中多次突破了技術(shù)瓶頸期。從氣化技術(shù)、熱解技術(shù)、熱化技術(shù)專利申請趨勢來看，三項子技術(shù)在2005后都呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，氣化技術(shù)和熱解技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，液化技術(shù)稍顯薄弱，在2010年-2013年期間，氣化技術(shù)專利年申請量有下降趨勢。

圖3 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)相關專利申請件數(shù)趨勢變化

對圖3(a)的熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)曲線進行一次微分后，可以得到申請專利數(shù)的變化率隨時間變化的趨勢，如圖3(b)所示，在技術(shù)發(fā)展的過程中，一共出現(xiàn)了3次變化率小于0的情況，分別對應于圖3(b)中的三個陰影部分，意味著遇到三次較大瓶頸。分別是2001年-2003年、2013年、2019年左右，其中2019年新增專利數(shù)量僅638件，較前年減少了34.2%。就目前的走勢來看，如果科研人員不能在該項技術(shù)上有新的突破，生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)或?qū)⒅饾u趨于穩(wěn)定，技術(shù)的創(chuàng)新性逐漸降低。然而，從上述分析結(jié)果中我們也可以發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)熱解技術(shù)一經(jīng)發(fā)生萌芽，很快就進入快速發(fā)展期，而前兩個瓶頸期的持續(xù)時間并不太長，這說明該項技術(shù)在發(fā)展過程中得到了足夠的重視，企業(yè)與研究機構(gòu)向其中投入了大量的精力和財力，這也側(cè)面說明生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)具有很大的探索空間與潛力，若能突破第三個瓶頸期，將會在接下來的幾十年里保持活力。

從三個子技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，氣化技術(shù)發(fā)展較快，液化、熱解技術(shù)有待提升，這不僅與技術(shù)本身的研發(fā)瓶頸有關，還與技術(shù)產(chǎn)物的市場價值、應用成熟度相關聯(lián)，如生物質(zhì)技術(shù)已大量應用于大型連續(xù)式生物質(zhì)氣化技術(shù)及裝備、生物質(zhì)燃氣熱電聯(lián)供技術(shù)及裝備、高效催化劑體系研發(fā)等[8]，但“一代、二代生物柴油”受原料成本和催化效率低下的影響，雖然在工業(yè)上得到應用，但發(fā)展仍受到制約，以生物油脂為原料的“三代生物柴油”則在技術(shù)上并不成熟，固體燃料受成型技術(shù)、除雜、混配工藝的制約，在實用方面還有很大不足。

3.3 專利申請地域以及申請人

專利申請地域以及申請人的分布可以反映不同地區(qū)的科研人員與管理者對于一項技術(shù)的關注程度，可以側(cè)面反映一個地域的科技水平和技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程[9]。生物質(zhì)能源主要是農(nóng)林牧副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化而來，根據(jù)我國農(nóng)業(yè)物分布、氣候、經(jīng)濟發(fā)展等特點，將專利申請地區(qū)劃分為華北(北京、山東、河北、江蘇等地)、東南(浙江、廣東、福建等地)、東北(黑龍江、吉林、遼寧等地)、中部(湖北、湖南、安徽、山西等地)、西北(內(nèi)蒙、寧夏、新疆等地)、西南(云南、貴州、四川等地)，各地區(qū)所分布專利比例和各地區(qū)產(chǎn)業(yè)特點和資源優(yōu)勢如圖4所示。其中涉及生物質(zhì)能原材料的專利技術(shù)共計1 453件，其中非糧原材料專利945件，在這些專利中關于污水、生活垃圾等非農(nóng)產(chǎn)物專利占據(jù)26.5%，其余原料多為富含木質(zhì)素與纖維素的秸稈、林木、草植等；糧食原材料專利508件，現(xiàn)有生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)雖然突破了生物質(zhì)直接燃燒轉(zhuǎn)化成熱和電的局限，但在原材料中糧類作物仍占據(jù)很大比重，非糧植物等生物質(zhì)能“二代原料”若解決生長地區(qū)、原料供應等影響，或?qū)⒊蔀闊峄瘜W轉(zhuǎn)化技術(shù)的在工業(yè)產(chǎn)能上的“主力軍”，近幾年北京、上海等地區(qū)逐步實行的垃圾分類、污水處理措施也為生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展提供了一定的原料支持。

圖4 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)相關專利地區(qū)分布及地區(qū)原料分布

根據(jù)排名前十的專利申請人進行分析，共計申請專利758條，對這些專利進行聚類分析，共得到氣化工藝、生物質(zhì)合成氣 、熱解系統(tǒng)、循環(huán)流化床氣化爐、氣化燃燒器 、生物油、燃料甲醇、氣化爐反應器八個大類，其中氣化技術(shù)相關專利368件，熱解技術(shù)相關專利339件，液化技術(shù)相關專利48件，在這些專利技術(shù)中，關于技術(shù)設備、反應裝置的專利技術(shù)占據(jù)346條，說明氣化技術(shù)和熱解技術(shù)仍是生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的重點，也反映了整個生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)行業(yè)現(xiàn)行仍在突破技術(shù)設備，尤其是熱解炭化技術(shù)的研究核心仍然集中在熱解反應器上，熱解反應器的改進可提高產(chǎn)油率和生物汽油的品質(zhì)；在液化技術(shù)中，仍有很大的技術(shù)和設備突破空間，其中熱解液化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)專利占據(jù)了重要位置。

表2 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)相關專利申請量排名前10的申請人

3.4 專利技術(shù)領域

對生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的專利數(shù)據(jù)進行技術(shù)領域分析，結(jié)果顯示IPC分類號主要分布于C(化學、冶金)、F(機械工程、照明、武器、爆破、加熱)、B(作業(yè)、運輸)等部，涉及C10、F23、F24、B01、C01、F22、C07、F01、C02、F02等大類，說明生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)除了推動生物可燃氣、液體燃料、固體燃料等化學領域發(fā)展，還帶動了燃燒設備、供熱通風系統(tǒng)、燃燒方法相關技術(shù)、無機化學的發(fā)展，出現(xiàn)領域交叉的現(xiàn)象。

利用關鍵詞來統(tǒng)計生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究方向，將上述專利分為四類，分別是工藝流程與轉(zhuǎn)化方法、設備、轉(zhuǎn)化聯(lián)動系統(tǒng)以及促進轉(zhuǎn)化的技術(shù)手段。從統(tǒng)計結(jié)果中我們可以看出，與設備相關的專利占58.0%，說明生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了一定的應用，該項技術(shù)基本已經(jīng)從實驗階段走向了工業(yè)化的階段。在轉(zhuǎn)化方法與工藝的研究中，氣化技術(shù)相關專利占到了46.1%，反映了氣化技術(shù)發(fā)展相對熱解碳化技術(shù)與液化技術(shù)發(fā)展較快，具有很大的市場應用潛力。液化技術(shù)相關專利中，以超/亞臨界水為溶劑的專利有54件，以甲醇、乙醇等醇類溶劑為主的液化轉(zhuǎn)化工藝專利有86件。同樣，轉(zhuǎn)化設備的相關專利中氣化爐等設備的專利數(shù)量占大部分，為73.0%，而熱解碳化設備與液化設備占比分別只有24.2%與2.8%，說明氣化技術(shù)基本已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而熱解碳化與液化技術(shù)可能受到技術(shù)瓶頸的限制還停留在實驗階段。此外，一些與轉(zhuǎn)化技術(shù)聯(lián)動的技術(shù)在近幾年里也受到了一定程度的關注，熱解-發(fā)電系統(tǒng)與熱解-供熱系統(tǒng)的研究為新能源的發(fā)展提供了更廣闊的思路，熱化學轉(zhuǎn)化過程除了可以產(chǎn)生相應的產(chǎn)品以外，其余熱還可以作為發(fā)電與供熱的能源，在全部專利數(shù)據(jù)中，涉及熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的專利共計121件，這是技術(shù)跨領域發(fā)展的體現(xiàn)。另外，在熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展的過程中，一些用來提高轉(zhuǎn)化效率、促進轉(zhuǎn)化過程的技術(shù)也紛紛涌現(xiàn)出來，其中，化學藥劑催化技術(shù)較為突出，占比達到51.5%，微波熱解、太陽能熱解等技術(shù)同樣也具有很好的研究前景，跨學科、跨領域研究已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的主流勢態(tài)。

現(xiàn)階段氣化技術(shù)、熱解技術(shù)相對于液化技術(shù)發(fā)展較快，相關專利年申請量大量增加，目前國內(nèi)生物質(zhì)熱化學氣化技術(shù)已廣泛應用于生物質(zhì)氣化發(fā)電領域，相比于熱解、液化技術(shù)具有燃燒效率高、產(chǎn)物豐富的優(yōu)點，其研究熱點仍然集中在發(fā)展高效、價低的高活性催化劑和含焦油少的氣化爐的改進上；液化技術(shù)的發(fā)展受生物酶的影響，酶的品質(zhì)決定了生物柴油的出產(chǎn)率，但從上述分析中可以看出目前我國生物酶的相關專利技術(shù)還處于薄弱環(huán)節(jié)，液化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化程度低，以超/亞臨界水、甲醇、乙醇等醇類溶劑的開發(fā)節(jié)省大量能耗成本，有利于液化技術(shù)的工業(yè)化推廣；熱解技術(shù)受產(chǎn)油品質(zhì)不穩(wěn)定和原料預處理成本的制約，難以推動生物質(zhì)氣化合成液體燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，若要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)上的廣泛應用，需要從提高產(chǎn)出率、降低原料預處理成本、提升催化活性、分解冷凝和分離精制等技術(shù)入手。

表3 生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)路線分析表

4 結(jié)論

目前我國生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)仍處于成長期，整體的工業(yè)化程度低，商業(yè)模式和市場標準不健全。整個技術(shù)領域存在能源質(zhì)量、評價體系、技術(shù)標準不健全、不規(guī)范等問題。為了降低技術(shù)投資風險，還需要進行大量的政策調(diào)整和研究支持。政府政策應以強制性目標為主，提高公眾對生物質(zhì)能源的認知程度，明確區(qū)分標準和控制工藝，建立穩(wěn)定的市場發(fā)展環(huán)境。

生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)整體發(fā)展趨勢較快，但存在子技術(shù)發(fā)展不均衡的問題。因此針對相關弱項技術(shù)開發(fā)及推廣的財政支持力度可適當增加，開發(fā)技術(shù)空白點；在產(chǎn)業(yè)應用上，建立熱氣電肥聯(lián)產(chǎn)體系，充分發(fā)揮熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)在農(nóng)村取暖、生物質(zhì)供電、生物柴油相關領域的優(yōu)勢，推行試點區(qū)域，提升效益。

生物質(zhì)原材料產(chǎn)地較為分散，原料運輸成本高，森林資源利用率低[10]。因此鼓勵開展區(qū)域性非糧能源作物示范點，充分利用這些土地種植生長速度快、生物產(chǎn)能高的非糧能源作物，既可緩解熱化學轉(zhuǎn)化技術(shù)在原料供應上的問題，同時可增加農(nóng)民就業(yè)，緩解環(huán)境問題，建立以能源作物生產(chǎn)“生物質(zhì)二代能源”的新型農(nóng)業(yè)體系。此外，可以借助近幾年試行的垃圾分類、污水處理等環(huán)保措施，將生物廢物集中化處理生成生物柴油、生物可燃氣等產(chǎn)物。