紅土鎳礦冶煉技術(shù)的全球?qū)＠畔⒎治觫?/h1>
2022-05-12 05:44:22余海軍謝英豪李愛霞
礦冶工程 2022年2期 關(guān)鍵詞：工藝
余海軍， 謝英豪， 李愛霞
（1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司，廣東 佛山 528137； 2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 3.廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528137； 4.湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600）
目前世界上開采的鎳礦主要有硫化鎳礦和紅土鎳礦。 硫化鎳礦主要分布在俄羅斯、加拿大、南非、坦桑尼亞等高緯度地區(qū)，近年來面臨資源貧化的問題；紅土鎳礦占世界鎳資源的60%，主要分布在印尼、菲律賓、古巴等低緯度地區(qū)。 隨著紅土鎳礦冶煉技術(shù)逐漸成熟、生產(chǎn)成本不斷下降，由紅土鎳礦生產(chǎn)的鎳金屬產(chǎn)量日益提升［1］。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5 年來新開工的鎳礦項(xiàng)目以紅土鎳礦居多，而針對(duì)紅土鎳礦技術(shù)研究及資源布局的報(bào)道卻相對(duì)較少。 隨著鎳資源的減少，以及國(guó)內(nèi)對(duì)鎳產(chǎn)品消費(fèi)量的不斷增加，在紅土鎳礦資源上盡早布局并加強(qiáng)冶煉技術(shù)研究具有極其重要的意義［2］。
本文主要從專利的視角對(duì)紅土鎳礦的冶煉技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，通過對(duì)專利申請(qǐng)趨勢(shì)、申請(qǐng)人國(guó)別、主要申請(qǐng)人以及專利質(zhì)量、發(fā)展趨勢(shì)等多方面的統(tǒng)計(jì)和分析，探討紅土鎳礦冶煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
1 研究方法
專利文獻(xiàn)作為重要的技術(shù)信息源，能客觀反映行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)、熱點(diǎn)、發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)［3］。本文通過對(duì)全球紅土鎳礦冶煉技術(shù)專利分析，為我國(guó)企業(yè)在鎳資源發(fā)展戰(zhàn)略布局方面提供參考。
人們對(duì)紅土鎳礦的冶煉技術(shù)研究較早，本文使用智慧芽專利數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，僅對(duì)近20 年的紅土鎳礦冶煉技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行檢索，研究最新技術(shù)及資源布局情況。 使用如下檢索式：（TA：（紅土鎳礦） OR TA：（氧化鎳礦） OR TA：（紅土礦） OR TA：（laterite nickel ore） OR TA：（Nickel oxide ore） OR TA：（lateritic ore）） AND （APD：［20020101 TO 20210625］），進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分類收集，最終在126個(gè)國(guó)家和地區(qū)中，搜索出2 894件專利申請(qǐng)，檢索日期為2002 年1 月1 日至2021 年6 月25 日，由于專利公開的滯后性，2020 年之后的專利數(shù)量?jī)H供分析參考。
采用專利統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)量學(xué)的方法，對(duì)專利申請(qǐng)的數(shù)量、區(qū)域、類型以及申請(qǐng)人和技術(shù)領(lǐng)域等字段進(jìn)行分析，研究紅土鎳礦冶煉技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)。
2 專利分析
2.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析
圖1 為近20 年紅土鎳礦相關(guān)專利申請(qǐng)量。 從圖1可以看出，紅土鎳礦專利申請(qǐng)量經(jīng)歷了2個(gè)階段的顯著加速，第1 階段為2002 ～2009 年，此時(shí)，人們開始對(duì)紅土鎳礦開采及冶煉技術(shù)進(jìn)行研究，雖然專利申請(qǐng)每年都有所增加，但增速并不高；2009～2010 年出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，可能迫于節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)帶來的壓力，小高爐鎳鐵工藝普遍被淘汰［4］。 第2 階段為2011 ～2017 年，此階段紅土鎳礦專利申請(qǐng)量急速增加，7 年專利申請(qǐng)量之和占近20 年專利申請(qǐng)總量的55.25%，究其原因，一方面可能是由于供給結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了巨大變化，2010 年之前全球鎳資源供應(yīng)以硫化鎳礦為主，但隨著硫化鎳礦資源日益匱乏，以及不銹鋼等合金生產(chǎn)需要大量鎳，人們發(fā)現(xiàn)并大量開采紅土鎳礦，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向紅土鎳礦［5］；另一方面，近20 年里，全球范圍內(nèi)并沒有新發(fā)現(xiàn)大型硫化鎳礦，同時(shí)不少硫化鎳礦山由于資源枯竭而關(guān)閉，紅土鎳礦成為鎳供應(yīng)的主要來源，紅土鎳礦產(chǎn)鎳的占比已超過了硫化鎳礦［6］。 在20 世紀(jì)50 年代，從紅土鎳礦中提取的鎳金屬量不到世界總鎳量的10%，而到2010 年，比例超過了45%，2015 年，比例超過50%，紅土鎳礦超越硫化鎳礦，正式成為鎳供應(yīng)的主流資源，且呈不斷上升趨勢(shì)，這與紅土鎳礦專利申請(qǐng)量的發(fā)展趨勢(shì)一致［7］。
圖1 全球紅土鎳礦專利申請(qǐng)量
2018～2019 年專利申請(qǐng)量出現(xiàn)了下降，一方面，紅土鎳礦開采陣地轉(zhuǎn)移至印尼，僅我國(guó)在2018 ～2019 年的2個(gè)年度里就暫停了菲律賓鎳品位1.5%以下的鎳礦進(jìn)口，且全面暫停了對(duì)危地馬拉紅土鎳礦的進(jìn)口；另一方面，鎳礦出口配額到期，審批趨嚴(yán)，一些冶煉項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度不達(dá)標(biāo)的礦企配額縮水或新配額的批準(zhǔn)一再延后［8］。
受到新冠肺炎疫情的影響，僅2020 年1 ～6 月全球就有275 座礦山停產(chǎn)。 然而，國(guó)內(nèi)企業(yè)在早幾年間就已布局紅土鎳礦資源，尤其是新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)，如：格林美/邦普循環(huán)/新展國(guó)際/阪和興業(yè)投建7 億美元的紅土鎳礦項(xiàng)目；華友鈷業(yè)/青創(chuàng)國(guó)際/IMIP 投建12.8 億美元的紅土鎳礦項(xiàng)目；住友金屬18.5 億美元建設(shè)的鎳礦石冶煉廠等。 同時(shí)，盛屯礦業(yè)在印尼建設(shè)的3.4 萬噸高冰鎳項(xiàng)目于2020 年9 月投產(chǎn)；青島中程在印尼蘇拉威西省持有Madani 鎳礦約2 014 公頃、BMU 鎳礦約1 963 公頃的探礦權(quán)與采礦權(quán)，并計(jì)劃近期建設(shè)冶煉廠［9］。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外各大機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，全球在2025 年因電動(dòng)汽車而產(chǎn)生的鎳需求約50 萬噸，而礦業(yè)巨頭嘉能可公司更是預(yù)計(jì)到2030 年電池汽車鎳需求量將達(dá)到110萬噸［6］。 隨著新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展、紅土鎳礦項(xiàng)目的不斷建設(shè)、新冠肺炎疫情得到控制，紅土鎳礦開采及相關(guān)研究可能會(huì)再次加速。
2.2 申請(qǐng)人國(guó)別分析
圖2 為紅土鎳礦相關(guān)專利各國(guó)占比，圖3 為申請(qǐng)量前5 位的國(guó)家歷年來專利申請(qǐng)數(shù)量。 從圖2 和圖3可以看出，在近20 年里，中國(guó)在紅土鎳礦領(lǐng)域申請(qǐng)的專利最多，占全球總量的48%。 由于我國(guó)沒有紅土鎳礦資源，2005 年之前，我國(guó)紅土鎳礦領(lǐng)域申請(qǐng)專利數(shù)量寥寥無幾，自2005 年開始，中國(guó)企業(yè)先后進(jìn)入緬甸、菲律賓、印尼以及巴布亞新幾內(nèi)亞等國(guó)家，開始紅土鎳礦投資項(xiàng)目的建設(shè)。 在投資企業(yè)性質(zhì)上，既有大型國(guó)有企業(yè)，如金川集團(tuán)、中鋼集團(tuán)、中國(guó)有色集團(tuán)等；也有以青山鋼鐵等為代表的一大批民營(yíng)企業(yè)；同時(shí)，一些地勘單位也參與其中。 因此，2005 年之后，中國(guó)的紅土鎳礦領(lǐng)域?qū)＠鸩皆龆啵?010 年實(shí)現(xiàn)顯著性增長(zhǎng)［10］。
圖2 紅土鎳礦相關(guān)專利申請(qǐng)人國(guó)別占比
圖3 全球紅土鎳礦專利申請(qǐng)量前5 位的國(guó)家歷年專利申請(qǐng)數(shù)量
紅土鎳礦領(lǐng)域申請(qǐng)專利數(shù)量排第2 的是日本，占全球總量的25%，尤其是2015 年，達(dá)到了171件，而后是澳大利亞（占8%）、美國(guó)（占7%）和巴西（2%）。
從時(shí)間維度來看，2010 年是我國(guó)紅土鎳礦發(fā)展的一個(gè)拐點(diǎn)，可能與我國(guó)鎳鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展相關(guān)，2010年之前國(guó)內(nèi)高爐冶煉鎳鐵比較盛行，但隨著鎳資源市場(chǎng)巨幅波動(dòng)，以及環(huán)保因素、淘汰落后產(chǎn)能等原因，高爐冶煉鎳鐵方法逐步被抑制。 2010 年之后，礦熱爐冶煉鎳鐵方法逐步得到發(fā)展，尤其是近幾年RKEF 法逐步得到推廣，礦熱爐功率也越來越大，逐步形成了眾多33 MVA、36 MVA、48 MVA、63 MVA 甚至更高功率的礦熱爐生產(chǎn)鎳鐵廠家，同時(shí)，隨著濕法冶煉技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，在紅土鎳礦冶煉技術(shù)和裝備水平上都得到了長(zhǎng)足發(fā)展［11］。
2.3 主要申請(qǐng)人分析
本文主要分析了專利申請(qǐng)數(shù)量前5 位的申請(qǐng)人，依次為：日本住友金屬鉱山株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“日本住友”）、江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“江蘇冶金設(shè)計(jì)院”）、澳大利亞BHP 比利通SSM 開發(fā)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“BHP”）、巴西淡水河谷公司（以下簡(jiǎn)稱“淡水河谷”）以及中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)恩菲”）。 主要申請(qǐng)人情況見表1，主要申請(qǐng)人歷年專利申請(qǐng)數(shù)量見圖4。
由表1可見，日本住友擁有專利數(shù)量最多；申請(qǐng)數(shù)量排名前5 位的申請(qǐng)人中，有2個(gè)是中國(guó)申請(qǐng)人，然而，其總量仍然不能與日本住友相抗衡。 在專利布局上，日本住友、BHP、淡水河谷在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)均有布局，而國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)人在國(guó)外僅有少量布局。 自1970年起日本就開始與菲律賓合作，成立合資礦業(yè)公司開采含鎳2%以上的高品位鎳礦，運(yùn)送回新日鐵和住友商社進(jìn)行冶煉，導(dǎo)致菲律賓高品位鎳礦砂被日本企業(yè)壟斷，而我國(guó)只能進(jìn)口鎳含量0.9%～1.1%的低品位鎳礦砂［10］。
表1 專利申請(qǐng)數(shù)量前5 位的申請(qǐng)人專利情況/件數(shù)
由圖4可見，日本住友、BHP、淡水河谷專利布局的時(shí)間均早于江蘇冶金設(shè)計(jì)院和中國(guó)恩菲；且江蘇冶金設(shè)計(jì)院的專利申請(qǐng)中包括52件實(shí)用新型專利，而國(guó)外3 家公司全部為發(fā)明專利。 就發(fā)明專利數(shù)量來說，前3名均為外國(guó)申請(qǐng)人，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的發(fā)明專利數(shù)量更是難以與日本住友相比。
圖4 主要申請(qǐng)人歷年專利申請(qǐng)數(shù)量
2.4 專利質(zhì)量分析
專利的質(zhì)量主要表現(xiàn)在同族專利數(shù)量和權(quán)利要求的數(shù)量上。
2.4.1 專利族群分析
主要專利族群的申請(qǐng)人分布見圖5。 全球范圍內(nèi)專利族群規(guī)模越大，說明其在全球保護(hù)范圍越廣。 本文通過逆向篩選出族群最大的前100件專利，并采用PatSnap 同族去重，使用一個(gè)專利代表，即從100個(gè)專利族中對(duì)專利的申請(qǐng)人進(jìn)行分類。
圖5 主要專利族群的申請(qǐng)人分布
專利族群最多的是日本，申請(qǐng)人均為日本住友，在前100名專利族群中，該申請(qǐng)人占有53個(gè)族群，數(shù)量最多，保護(hù)范圍最廣。 而國(guó)內(nèi)僅有2件專利進(jìn)入前100名，大量的專利未形成專利族群。
2.4.2 權(quán)利要求數(shù)量分析
權(quán)利要求是專利保護(hù)范圍的體現(xiàn)，即一項(xiàng)權(quán)利要求保護(hù)范圍有多寬、多廣；而一件專利中權(quán)利要求數(shù)量的多少，則更多的是對(duì)專利的保護(hù)范圍進(jìn)行強(qiáng)化，是申請(qǐng)人進(jìn)行策略性布局的體現(xiàn)。 專利權(quán)利要求數(shù)量越多，則其涉及的技術(shù)范圍更廣，說明保護(hù)的內(nèi)容越多，一定意義上專利的質(zhì)量可能更高［12］。 本文通過逆向篩選出權(quán)利要求數(shù)量前100 的專利，并對(duì)專利的申請(qǐng)人進(jìn)行分類。
權(quán)利要求數(shù)量較多的專利申請(qǐng)人分布見圖6。 由圖6可知，澳大利亞權(quán)利要求數(shù)量最多，共有34件專利申請(qǐng)，其次是南非和加拿大。 中國(guó)申請(qǐng)人僅有3件專利的權(quán)利要求數(shù)量列入前100名。
圖6 權(quán)利要求數(shù)量較多的專利申請(qǐng)人分布
2.5 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析
2.5.1 被引用數(shù)量分析
從被引用數(shù)量來進(jìn)行分析，可以識(shí)別哪些專利已廣泛應(yīng)用并且被大量借鑒，這些專利更具影響力并代表著該技術(shù)領(lǐng)域的核心創(chuàng)新技術(shù)。
紅土鎳礦冶煉技術(shù)分為濕法冶煉和火法冶煉，濕法工藝主要包括還原焙燒氨浸工藝、高壓酸浸工藝2種［13］。 火法工藝種類較多，包括鎳锍工藝、RKEF 工藝、燒結(jié)-高爐還原熔煉工藝、直接還原工藝、轉(zhuǎn)底爐-熔分爐雙聯(lián)工藝［14］等。
通過檢索分析，篩選出被引用專利數(shù)量大于等于10 次的專利，共計(jì)151件。 此151件專利中濕法冶煉78件、火法冶煉51件、濕法和火法相結(jié)合9件、其余為選礦技術(shù)，分別占比為51.66%、33.77%、5.96%、8.61%。
被引用數(shù)量排名前10 的專利見表2。 由表2可知，被引用數(shù)量最多的是公開號(hào)為JP2005350766A、日本住友的“氧化鎳礦的濕法冶煉方法”，共被引用429次。 被引用數(shù)量排名前10 的專利中僅有4件專利涉及火法冶煉技術(shù)，且均為中國(guó)專利。
表2 被引用數(shù)量前10 的專利情況
2.5.2 技術(shù)分支申請(qǐng)趨勢(shì)分析
為進(jìn)一步探索紅土鎳礦冶煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)檢索到的專利進(jìn)行人工標(biāo)引，專利的技術(shù)分支隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見圖7。 由圖7可見，濕法冶煉的專利申請(qǐng)數(shù)量始終高于火法冶煉，然而在2015 ～2017 年內(nèi)火法工藝的增長(zhǎng)速率高于濕法工藝，可能是期間市場(chǎng)對(duì)鎳鐵需求量提升所致。
圖7 歷年技術(shù)分支專利申請(qǐng)數(shù)量
濕法工藝一直以來都是人們研究和關(guān)注的重點(diǎn)，其研究熱度一直居高不下。 火法工藝因冶煉過程能耗高、成本高以及收率低、對(duì)鎳礦品位有要求等原因，主要用于處理高品位紅土鎳礦；而濕法工藝雖然工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、對(duì)設(shè)備要求高，但它與火法相比，具有能耗低、金屬回收率高等優(yōu)勢(shì)［15－16］。 在貫徹碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略背景下，生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路是我國(guó)未來發(fā)展的必由之路，未來紅土鎳礦的濕法冶煉技術(shù)可能是各鎳生產(chǎn)廠商重點(diǎn)關(guān)注的方向。
2.6 紅土鎳礦專利未來區(qū)域布局分析
據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)，2020 年全球鎳礦產(chǎn)量為250 萬鎳金屬噸，其中印尼和菲律賓兩國(guó)產(chǎn)量分別為76 萬鎳金屬噸和32 萬鎳金屬噸，占據(jù)全球產(chǎn)量的43%。
印尼目前擁有29 座中外鎳冶煉廠，其中蘇拉威西19 座、北馬魯古8 座、爪哇2 座。 據(jù)印尼能源和礦產(chǎn)資源部礦產(chǎn)和煤炭總干事里德萬·賈馬魯丁表示，在2020 年，印尼的鎳鐵、鎳生鐵（NPI）和磨砂鎳產(chǎn)品形式的鎳加工和精煉產(chǎn)量已超過目標(biāo)。 印尼2020 年鎳鐵產(chǎn)量達(dá)到146 萬噸，首次超過中國(guó)，NPI 達(dá)到86.05 萬噸，高冰鎳達(dá)到9.17 萬噸。 NPI 產(chǎn)品的鎳產(chǎn)量從2019年的78.1 萬噸增長(zhǎng)了10.18%，高冰鎳從2019 年的7.2萬噸增長(zhǎng)了27.36%，鎳鐵產(chǎn)量比2019 年增長(zhǎng)了27%。中國(guó)相關(guān)企業(yè)運(yùn)用自有資金、技術(shù)和管理在印尼開采紅土鎳礦、建設(shè)冶煉廠，使印尼躋身世界鎳產(chǎn)業(yè)大國(guó)行列。 表3 為中國(guó)前往印尼布局鎳資源的新能源企業(yè)。隨著中國(guó)企業(yè)在印尼建設(shè)的紅土鎳礦項(xiàng)目逐步完成及相關(guān)冶煉技術(shù)的布局完善，未來幾年內(nèi)，印尼紅土鎳礦領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量可能呈現(xiàn)極速增長(zhǎng)。
表3 布局印尼鎳資源的中國(guó)企業(yè)
3 結(jié) 論
3.1 結(jié)合實(shí)際工藝，增加專利申請(qǐng)
紅土鎳礦分布在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，且冶煉工藝種類多樣，不同工藝得到不同產(chǎn)品。 國(guó)內(nèi)企業(yè)在紅土鎳礦冶煉方面的國(guó)外專利布局較為薄弱，應(yīng)重點(diǎn)布局紅土鎳礦產(chǎn)業(yè)所在地區(qū)的專利，并布局未來可能的鎳資源地區(qū)。 隨著國(guó)內(nèi)格林美、邦普、華友等新能源動(dòng)力電池上游資源廠商在印度尼西亞的鎳礦產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目不斷建設(shè)完成，紅土鎳礦的冶煉研究也將不斷取得進(jìn)展，隨之而來的專利申請(qǐng)數(shù)量必然逐步增加。 由于各紅土鎳礦項(xiàng)目建設(shè)地多處于印度尼西亞，未來專利申請(qǐng)的受理可能會(huì)以印尼為主。 同時(shí)，申請(qǐng)專利時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)重點(diǎn)專利布局，提升專利家族數(shù)量，并提升專利申請(qǐng)的質(zhì)量，只有這樣才能在紅土鎳礦冶煉技術(shù)上立足。
3.2 提升關(guān)鍵技術(shù)，注重節(jié)能環(huán)保
眾所周知，紅土鎳礦的火法工藝產(chǎn)品能耗高，濕法工藝污水處理難。 無論是在國(guó)外的鎳礦冶煉，還是國(guó)內(nèi)的中間品提煉，都要努力做到節(jié)能降耗、綠色環(huán)保。尤其是“十四五”期間，碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)正在推進(jìn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)需加大技術(shù)研發(fā)力量，進(jìn)一步開發(fā)新工藝、新技術(shù)，最大程度地產(chǎn)出創(chuàng)新成果，提升關(guān)鍵技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低能耗與減少污染的共贏局面。
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余海軍， 謝英豪， 李愛霞
（1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司，廣東 佛山 528137； 2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 3.廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528137； 4.湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600）
目前世界上開采的鎳礦主要有硫化鎳礦和紅土鎳礦。 硫化鎳礦主要分布在俄羅斯、加拿大、南非、坦桑尼亞等高緯度地區(qū)，近年來面臨資源貧化的問題；紅土鎳礦占世界鎳資源的60%，主要分布在印尼、菲律賓、古巴等低緯度地區(qū)。 隨著紅土鎳礦冶煉技術(shù)逐漸成熟、生產(chǎn)成本不斷下降，由紅土鎳礦生產(chǎn)的鎳金屬產(chǎn)量日益提升［1］。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5 年來新開工的鎳礦項(xiàng)目以紅土鎳礦居多，而針對(duì)紅土鎳礦技術(shù)研究及資源布局的報(bào)道卻相對(duì)較少。 隨著鎳資源的減少，以及國(guó)內(nèi)對(duì)鎳產(chǎn)品消費(fèi)量的不斷增加，在紅土鎳礦資源上盡早布局并加強(qiáng)冶煉技術(shù)研究具有極其重要的意義［2］。
本文主要從專利的視角對(duì)紅土鎳礦的冶煉技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，通過對(duì)專利申請(qǐng)趨勢(shì)、申請(qǐng)人國(guó)別、主要申請(qǐng)人以及專利質(zhì)量、發(fā)展趨勢(shì)等多方面的統(tǒng)計(jì)和分析，探討紅土鎳礦冶煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
1 研究方法
專利文獻(xiàn)作為重要的技術(shù)信息源，能客觀反映行業(yè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)、熱點(diǎn)、發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)［3］。本文通過對(duì)全球紅土鎳礦冶煉技術(shù)專利分析，為我國(guó)企業(yè)在鎳資源發(fā)展戰(zhàn)略布局方面提供參考。
人們對(duì)紅土鎳礦的冶煉技術(shù)研究較早，本文使用智慧芽專利數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，僅對(duì)近20 年的紅土鎳礦冶煉技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行檢索，研究最新技術(shù)及資源布局情況。 使用如下檢索式：（TA：（紅土鎳礦） OR TA：（氧化鎳礦） OR TA：（紅土礦） OR TA：（laterite nickel ore） OR TA：（Nickel oxide ore） OR TA：（lateritic ore）） AND （APD：［20020101 TO 20210625］），進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分類收集，最終在126個(gè)國(guó)家和地區(qū)中，搜索出2 894件專利申請(qǐng)，檢索日期為2002 年1 月1 日至2021 年6 月25 日，由于專利公開的滯后性，2020 年之后的專利數(shù)量?jī)H供分析參考。
采用專利統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)量學(xué)的方法，對(duì)專利申請(qǐng)的數(shù)量、區(qū)域、類型以及申請(qǐng)人和技術(shù)領(lǐng)域等字段進(jìn)行分析，研究紅土鎳礦冶煉技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)。
2 專利分析
2.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析
圖1 為近20 年紅土鎳礦相關(guān)專利申請(qǐng)量。 從圖1可以看出，紅土鎳礦專利申請(qǐng)量經(jīng)歷了2個(gè)階段的顯著加速，第1 階段為2002 ～2009 年，此時(shí)，人們開始對(duì)紅土鎳礦開采及冶煉技術(shù)進(jìn)行研究，雖然專利申請(qǐng)每年都有所增加，但增速并不高；2009～2010 年出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，可能迫于節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)帶來的壓力，小高爐鎳鐵工藝普遍被淘汰［4］。 第2 階段為2011 ～2017 年，此階段紅土鎳礦專利申請(qǐng)量急速增加，7 年專利申請(qǐng)量之和占近20 年專利申請(qǐng)總量的55.25%，究其原因，一方面可能是由于供給結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了巨大變化，2010 年之前全球鎳資源供應(yīng)以硫化鎳礦為主，但隨著硫化鎳礦資源日益匱乏，以及不銹鋼等合金生產(chǎn)需要大量鎳，人們發(fā)現(xiàn)并大量開采紅土鎳礦，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向紅土鎳礦［5］；另一方面，近20 年里，全球范圍內(nèi)并沒有新發(fā)現(xiàn)大型硫化鎳礦，同時(shí)不少硫化鎳礦山由于資源枯竭而關(guān)閉，紅土鎳礦成為鎳供應(yīng)的主要來源，紅土鎳礦產(chǎn)鎳的占比已超過了硫化鎳礦［6］。 在20 世紀(jì)50 年代，從紅土鎳礦中提取的鎳金屬量不到世界總鎳量的10%，而到2010 年，比例超過了45%，2015 年，比例超過50%，紅土鎳礦超越硫化鎳礦，正式成為鎳供應(yīng)的主流資源，且呈不斷上升趨勢(shì)，這與紅土鎳礦專利申請(qǐng)量的發(fā)展趨勢(shì)一致［7］。
圖1 全球紅土鎳礦專利申請(qǐng)量
2018～2019 年專利申請(qǐng)量出現(xiàn)了下降，一方面，紅土鎳礦開采陣地轉(zhuǎn)移至印尼，僅我國(guó)在2018 ～2019 年的2個(gè)年度里就暫停了菲律賓鎳品位1.5%以下的鎳礦進(jìn)口，且全面暫停了對(duì)危地馬拉紅土鎳礦的進(jìn)口；另一方面，鎳礦出口配額到期，審批趨嚴(yán)，一些冶煉項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度不達(dá)標(biāo)的礦企配額縮水或新配額的批準(zhǔn)一再延后［8］。
受到新冠肺炎疫情的影響，僅2020 年1 ～6 月全球就有275 座礦山停產(chǎn)。 然而，國(guó)內(nèi)企業(yè)在早幾年間就已布局紅土鎳礦資源，尤其是新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)，如：格林美/邦普循環(huán)/新展國(guó)際/阪和興業(yè)投建7 億美元的紅土鎳礦項(xiàng)目；華友鈷業(yè)/青創(chuàng)國(guó)際/IMIP 投建12.8 億美元的紅土鎳礦項(xiàng)目；住友金屬18.5 億美元建設(shè)的鎳礦石冶煉廠等。 同時(shí)，盛屯礦業(yè)在印尼建設(shè)的3.4 萬噸高冰鎳項(xiàng)目于2020 年9 月投產(chǎn)；青島中程在印尼蘇拉威西省持有Madani 鎳礦約2 014 公頃、BMU 鎳礦約1 963 公頃的探礦權(quán)與采礦權(quán)，并計(jì)劃近期建設(shè)冶煉廠［9］。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外各大機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，全球在2025 年因電動(dòng)汽車而產(chǎn)生的鎳需求約50 萬噸，而礦業(yè)巨頭嘉能可公司更是預(yù)計(jì)到2030 年電池汽車鎳需求量將達(dá)到110萬噸［6］。 隨著新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展、紅土鎳礦項(xiàng)目的不斷建設(shè)、新冠肺炎疫情得到控制，紅土鎳礦開采及相關(guān)研究可能會(huì)再次加速。
2.2 申請(qǐng)人國(guó)別分析
圖2 為紅土鎳礦相關(guān)專利各國(guó)占比，圖3 為申請(qǐng)量前5 位的國(guó)家歷年來專利申請(qǐng)數(shù)量。 從圖2 和圖3可以看出，在近20 年里，中國(guó)在紅土鎳礦領(lǐng)域申請(qǐng)的專利最多，占全球總量的48%。 由于我國(guó)沒有紅土鎳礦資源，2005 年之前，我國(guó)紅土鎳礦領(lǐng)域申請(qǐng)專利數(shù)量寥寥無幾，自2005 年開始，中國(guó)企業(yè)先后進(jìn)入緬甸、菲律賓、印尼以及巴布亞新幾內(nèi)亞等國(guó)家，開始紅土鎳礦投資項(xiàng)目的建設(shè)。 在投資企業(yè)性質(zhì)上，既有大型國(guó)有企業(yè)，如金川集團(tuán)、中鋼集團(tuán)、中國(guó)有色集團(tuán)等；也有以青山鋼鐵等為代表的一大批民營(yíng)企業(yè)；同時(shí)，一些地勘單位也參與其中。 因此，2005 年之后，中國(guó)的紅土鎳礦領(lǐng)域?qū)＠鸩皆龆啵?010 年實(shí)現(xiàn)顯著性增長(zhǎng)［10］。
圖2 紅土鎳礦相關(guān)專利申請(qǐng)人國(guó)別占比
圖3 全球紅土鎳礦專利申請(qǐng)量前5 位的國(guó)家歷年專利申請(qǐng)數(shù)量
紅土鎳礦領(lǐng)域申請(qǐng)專利數(shù)量排第2 的是日本，占全球總量的25%，尤其是2015 年，達(dá)到了171件，而后是澳大利亞（占8%）、美國(guó)（占7%）和巴西（2%）。
從時(shí)間維度來看，2010 年是我國(guó)紅土鎳礦發(fā)展的一個(gè)拐點(diǎn)，可能與我國(guó)鎳鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展相關(guān)，2010年之前國(guó)內(nèi)高爐冶煉鎳鐵比較盛行，但隨著鎳資源市場(chǎng)巨幅波動(dòng)，以及環(huán)保因素、淘汰落后產(chǎn)能等原因，高爐冶煉鎳鐵方法逐步被抑制。 2010 年之后，礦熱爐冶煉鎳鐵方法逐步得到發(fā)展，尤其是近幾年RKEF 法逐步得到推廣，礦熱爐功率也越來越大，逐步形成了眾多33 MVA、36 MVA、48 MVA、63 MVA 甚至更高功率的礦熱爐生產(chǎn)鎳鐵廠家，同時(shí)，隨著濕法冶煉技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，在紅土鎳礦冶煉技術(shù)和裝備水平上都得到了長(zhǎng)足發(fā)展［11］。
2.3 主要申請(qǐng)人分析
本文主要分析了專利申請(qǐng)數(shù)量前5 位的申請(qǐng)人，依次為：日本住友金屬鉱山株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“日本住友”）、江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“江蘇冶金設(shè)計(jì)院”）、澳大利亞BHP 比利通SSM 開發(fā)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“BHP”）、巴西淡水河谷公司（以下簡(jiǎn)稱“淡水河谷”）以及中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)恩菲”）。 主要申請(qǐng)人情況見表1，主要申請(qǐng)人歷年專利申請(qǐng)數(shù)量見圖4。
由表1可見，日本住友擁有專利數(shù)量最多；申請(qǐng)數(shù)量排名前5 位的申請(qǐng)人中，有2個(gè)是中國(guó)申請(qǐng)人，然而，其總量仍然不能與日本住友相抗衡。 在專利布局上，日本住友、BHP、淡水河谷在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)均有布局，而國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)人在國(guó)外僅有少量布局。 自1970年起日本就開始與菲律賓合作，成立合資礦業(yè)公司開采含鎳2%以上的高品位鎳礦，運(yùn)送回新日鐵和住友商社進(jìn)行冶煉，導(dǎo)致菲律賓高品位鎳礦砂被日本企業(yè)壟斷，而我國(guó)只能進(jìn)口鎳含量0.9%～1.1%的低品位鎳礦砂［10］。
表1 專利申請(qǐng)數(shù)量前5 位的申請(qǐng)人專利情況/件數(shù)
由圖4可見，日本住友、BHP、淡水河谷專利布局的時(shí)間均早于江蘇冶金設(shè)計(jì)院和中國(guó)恩菲；且江蘇冶金設(shè)計(jì)院的專利申請(qǐng)中包括52件實(shí)用新型專利，而國(guó)外3 家公司全部為發(fā)明專利。 就發(fā)明專利數(shù)量來說，前3名均為外國(guó)申請(qǐng)人，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的發(fā)明專利數(shù)量更是難以與日本住友相比。
圖4 主要申請(qǐng)人歷年專利申請(qǐng)數(shù)量
2.4 專利質(zhì)量分析
專利的質(zhì)量主要表現(xiàn)在同族專利數(shù)量和權(quán)利要求的數(shù)量上。
2.4.1 專利族群分析
主要專利族群的申請(qǐng)人分布見圖5。 全球范圍內(nèi)專利族群規(guī)模越大，說明其在全球保護(hù)范圍越廣。 本文通過逆向篩選出族群最大的前100件專利，并采用PatSnap 同族去重，使用一個(gè)專利代表，即從100個(gè)專利族中對(duì)專利的申請(qǐng)人進(jìn)行分類。
圖5 主要專利族群的申請(qǐng)人分布
專利族群最多的是日本，申請(qǐng)人均為日本住友，在前100名專利族群中，該申請(qǐng)人占有53個(gè)族群，數(shù)量最多，保護(hù)范圍最廣。 而國(guó)內(nèi)僅有2件專利進(jìn)入前100名，大量的專利未形成專利族群。
2.4.2 權(quán)利要求數(shù)量分析
權(quán)利要求是專利保護(hù)范圍的體現(xiàn)，即一項(xiàng)權(quán)利要求保護(hù)范圍有多寬、多廣；而一件專利中權(quán)利要求數(shù)量的多少，則更多的是對(duì)專利的保護(hù)范圍進(jìn)行強(qiáng)化，是申請(qǐng)人進(jìn)行策略性布局的體現(xiàn)。 專利權(quán)利要求數(shù)量越多，則其涉及的技術(shù)范圍更廣，說明保護(hù)的內(nèi)容越多，一定意義上專利的質(zhì)量可能更高［12］。 本文通過逆向篩選出權(quán)利要求數(shù)量前100 的專利，并對(duì)專利的申請(qǐng)人進(jìn)行分類。
權(quán)利要求數(shù)量較多的專利申請(qǐng)人分布見圖6。 由圖6可知，澳大利亞權(quán)利要求數(shù)量最多，共有34件專利申請(qǐng)，其次是南非和加拿大。 中國(guó)申請(qǐng)人僅有3件專利的權(quán)利要求數(shù)量列入前100名。
圖6 權(quán)利要求數(shù)量較多的專利申請(qǐng)人分布
2.5 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析
2.5.1 被引用數(shù)量分析
從被引用數(shù)量來進(jìn)行分析，可以識(shí)別哪些專利已廣泛應(yīng)用并且被大量借鑒，這些專利更具影響力并代表著該技術(shù)領(lǐng)域的核心創(chuàng)新技術(shù)。
紅土鎳礦冶煉技術(shù)分為濕法冶煉和火法冶煉，濕法工藝主要包括還原焙燒氨浸工藝、高壓酸浸工藝2種［13］。 火法工藝種類較多，包括鎳锍工藝、RKEF 工藝、燒結(jié)-高爐還原熔煉工藝、直接還原工藝、轉(zhuǎn)底爐-熔分爐雙聯(lián)工藝［14］等。
通過檢索分析，篩選出被引用專利數(shù)量大于等于10 次的專利，共計(jì)151件。 此151件專利中濕法冶煉78件、火法冶煉51件、濕法和火法相結(jié)合9件、其余為選礦技術(shù)，分別占比為51.66%、33.77%、5.96%、8.61%。
被引用數(shù)量排名前10 的專利見表2。 由表2可知，被引用數(shù)量最多的是公開號(hào)為JP2005350766A、日本住友的“氧化鎳礦的濕法冶煉方法”，共被引用429次。 被引用數(shù)量排名前10 的專利中僅有4件專利涉及火法冶煉技術(shù)，且均為中國(guó)專利。
表2 被引用數(shù)量前10 的專利情況
2.5.2 技術(shù)分支申請(qǐng)趨勢(shì)分析
為進(jìn)一步探索紅土鎳礦冶煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)檢索到的專利進(jìn)行人工標(biāo)引，專利的技術(shù)分支隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見圖7。 由圖7可見，濕法冶煉的專利申請(qǐng)數(shù)量始終高于火法冶煉，然而在2015 ～2017 年內(nèi)火法工藝的增長(zhǎng)速率高于濕法工藝，可能是期間市場(chǎng)對(duì)鎳鐵需求量提升所致。
圖7 歷年技術(shù)分支專利申請(qǐng)數(shù)量
濕法工藝一直以來都是人們研究和關(guān)注的重點(diǎn)，其研究熱度一直居高不下。 火法工藝因冶煉過程能耗高、成本高以及收率低、對(duì)鎳礦品位有要求等原因，主要用于處理高品位紅土鎳礦；而濕法工藝雖然工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、對(duì)設(shè)備要求高，但它與火法相比，具有能耗低、金屬回收率高等優(yōu)勢(shì)［15－16］。 在貫徹碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略背景下，生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路是我國(guó)未來發(fā)展的必由之路，未來紅土鎳礦的濕法冶煉技術(shù)可能是各鎳生產(chǎn)廠商重點(diǎn)關(guān)注的方向。
2.6 紅土鎳礦專利未來區(qū)域布局分析
據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)，2020 年全球鎳礦產(chǎn)量為250 萬鎳金屬噸，其中印尼和菲律賓兩國(guó)產(chǎn)量分別為76 萬鎳金屬噸和32 萬鎳金屬噸，占據(jù)全球產(chǎn)量的43%。
印尼目前擁有29 座中外鎳冶煉廠，其中蘇拉威西19 座、北馬魯古8 座、爪哇2 座。 據(jù)印尼能源和礦產(chǎn)資源部礦產(chǎn)和煤炭總干事里德萬·賈馬魯丁表示，在2020 年，印尼的鎳鐵、鎳生鐵（NPI）和磨砂鎳產(chǎn)品形式的鎳加工和精煉產(chǎn)量已超過目標(biāo)。 印尼2020 年鎳鐵產(chǎn)量達(dá)到146 萬噸，首次超過中國(guó)，NPI 達(dá)到86.05 萬噸，高冰鎳達(dá)到9.17 萬噸。 NPI 產(chǎn)品的鎳產(chǎn)量從2019年的78.1 萬噸增長(zhǎng)了10.18%，高冰鎳從2019 年的7.2萬噸增長(zhǎng)了27.36%，鎳鐵產(chǎn)量比2019 年增長(zhǎng)了27%。中國(guó)相關(guān)企業(yè)運(yùn)用自有資金、技術(shù)和管理在印尼開采紅土鎳礦、建設(shè)冶煉廠，使印尼躋身世界鎳產(chǎn)業(yè)大國(guó)行列。 表3 為中國(guó)前往印尼布局鎳資源的新能源企業(yè)。隨著中國(guó)企業(yè)在印尼建設(shè)的紅土鎳礦項(xiàng)目逐步完成及相關(guān)冶煉技術(shù)的布局完善，未來幾年內(nèi)，印尼紅土鎳礦領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量可能呈現(xiàn)極速增長(zhǎng)。
表3 布局印尼鎳資源的中國(guó)企業(yè)
3 結(jié) 論
3.1 結(jié)合實(shí)際工藝，增加專利申請(qǐng)
紅土鎳礦分布在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，且冶煉工藝種類多樣，不同工藝得到不同產(chǎn)品。 國(guó)內(nèi)企業(yè)在紅土鎳礦冶煉方面的國(guó)外專利布局較為薄弱，應(yīng)重點(diǎn)布局紅土鎳礦產(chǎn)業(yè)所在地區(qū)的專利，并布局未來可能的鎳資源地區(qū)。 隨著國(guó)內(nèi)格林美、邦普、華友等新能源動(dòng)力電池上游資源廠商在印度尼西亞的鎳礦產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目不斷建設(shè)完成，紅土鎳礦的冶煉研究也將不斷取得進(jìn)展，隨之而來的專利申請(qǐng)數(shù)量必然逐步增加。 由于各紅土鎳礦項(xiàng)目建設(shè)地多處于印度尼西亞，未來專利申請(qǐng)的受理可能會(huì)以印尼為主。 同時(shí)，申請(qǐng)專利時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)重點(diǎn)專利布局，提升專利家族數(shù)量，并提升專利申請(qǐng)的質(zhì)量，只有這樣才能在紅土鎳礦冶煉技術(shù)上立足。
3.2 提升關(guān)鍵技術(shù)，注重節(jié)能環(huán)保
眾所周知，紅土鎳礦的火法工藝產(chǎn)品能耗高，濕法工藝污水處理難。 無論是在國(guó)外的鎳礦冶煉，還是國(guó)內(nèi)的中間品提煉，都要努力做到節(jié)能降耗、綠色環(huán)保。尤其是“十四五”期間，碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)正在推進(jìn)，國(guó)內(nèi)企業(yè)需加大技術(shù)研發(fā)力量，進(jìn)一步開發(fā)新工藝、新技術(shù)，最大程度地產(chǎn)出創(chuàng)新成果，提升關(guān)鍵技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低能耗與減少污染的共贏局面。
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