我國煙氣脫硝技術專利分析

摘 要：【目的】大氣的主要污染氣體中，NOx每年的總排放量位居第2。煙氣脫硝是處理NOx的重要方法，而專利引領著行業內新技術、新熱點的發展，現階段煙氣脫硝技術熱點和趨勢仍缺乏專利數據支撐。本研究通過分析煙氣脫硝技術專利申請趨勢和熱點，以期為我國煙氣脫硝技術提供新的研究方向，推動煙氣脫硝技術的不斷完善和發展。【方法】本研究重點檢索分析了我國煙氣脫硝技術專利的發展趨勢及重要申請人，并分別針對我國煙氣脫硝專利的SNCR脫硝工藝、SCR脫硝工藝及其他新工藝新方法等3種發展路線進行分析。【結果】傳統的干法脫硝技術已經相對成熟，目前對煙氣脫硝專利的研究仍然主要集中在如何提高反應效率、降低運行成本及減少對環境的危害等方面。【結論】通過上述專利分析幫助申請人掌握領域專利熱點。在煙氣脫硝發展過程中，應時刻關注國內外相關的專利技術研究動態，探索研究更加綠色高效的脫硝技術，以推動煙氣脫硝系統的智能化和數字化發展。

關鍵詞：煙氣；脫硝；專利

中圖分類號：X701；G306" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）02-0128-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.02.026

Abstract： [Purposes] Among the major polluting gases in the atmosphere， NOx currently ranks second in total annual emissions. Flue gas denitration is an important method to deal with NOx， and patents lead the development of new technologies and new hot spots in the industry. At this stage， the hot spots and trends of flue gas out of stock technology still lack patent data support. This paper analyzes the trend and hot spots of flue gas denitration patents， in order to provide a new research direction for our country's flue gas denitration technology， and promote the continuous improvement and development of flue gas denitration technology.[Methods] This paper focuses on the development trend of flue gas denitration technology patents and important applicants in China， and analyzes the SNCR denitration process， SCR denitration process， and other new processes and methods separately for the three development routes of flue gas denitration patents in China. [Findings] Traditional dry denitration technology is relatively mature， and the current research on flue gas denitration patents is still mainly focused on how to improve the reaction efficiency， reduce operating costs， and reduce the harm to the environment. [Conclusions] Through the patent analysis， the applicant can grasp the field's patent hotspots： in the process of flue gas denitration development， it is necessary to pay attention to the advanced patent technology research at home and abroad at all times and explore and study more environmentally friendly and efficient denitration technologies， thus promoting the intelligent and digital development of flue gas denitration systems.

Keywords： flue gas; denitration; patent

0 引言

我國作為煤炭消費大國，能源結構以煤炭為主［1］，煤炭在燃燒時會向大氣排放大量氮氧化物（NOx），人體在吸入超過3 ppm的NOx后會出現刺激癥狀，在吸入大于300 ppm的NOx會出現呼吸困難的癥狀，嚴重時會有生命危險。此外，在“碳達峰”和“碳中和”目標下，NOx的有效控制對增進民生福祉具有重要意義。

自20世紀70年代以來，我國不斷加大對煙氣脫硝技術的研究，涵蓋催化劑、脫硝反應工藝及反應機理等諸多方面，技術水平與國際接軌，取得了較為豐碩的成果［2］。近年來，隨著我國專利制度的完善，專利作為本領域前沿技術的代表之一，逐漸受到學者們的重視。然而，關于煙氣脫硝技術的研究熱點和趨勢仍然缺乏專利數據的支撐。基于專利分析我國煙氣脫硝技術的發展現狀，有利于明確我國煙氣脫硝技術的研究熱點，指導節能減排工作。基于此，本研究針對近年來我國煙氣脫硝領域的專利發展趨勢進行了分析。

1 我國煙氣脫硝專利發展趨勢

1.1 數據來源及檢索要素

本研究采用國家知識產權局專利檢索及分析系統進行檢索，利用智慧芽專利數據庫進行補充檢索，并以IPC分類號B01D53/00（廢氣，如發動機廢氣、煙氣、煙霧、煙道氣或氣溶膠的化學或生物凈化）為主要檢索要素，以煙氣、脫硝、SCR、SNCR等關鍵詞為補充檢索要素，得到煙氣脫硝技術相關專利。由于專利文獻從提出到公開需要一定時間，故本研究數據檢索截止日為2023年12月31日，本研究的數據不能代表我國煙氣脫硝領域全部的專利申請量。

1.2 專利申請數量分析

我國煙氣脫硝領域專利申請的年度變化趨勢如圖1所示。分析可知，煙氣脫硝技術的發展按專利申請量趨勢可以分為以下3個階段：

①萌芽階段（2009年以前）。煙氣脫硝技術始于20世紀50年代。在其發展初期，主要被美國、德國、日本等發達國家掌握，而我國在70年代才真正意義上開始關注脫硝技術。但由于當時社會發展水平和經濟水平的制約，人們的環保意識較為淡薄，我國在該階段主要依靠引進國外脫硝技術，脫硝設備國產化程度低，中國本土從事脫硝行業的企業也較少，加之我國專利制度正處于起步階段，我國在此階段關于煙氣脫硝技術的專利申請量較少，脫硝技術發展也較為緩慢。

②快速發展階段（2009—2020年）。隨著我國經濟的快速發展和工業化水平的顯著提高，大氣污染狀況日益嚴重，酸雨及霧霾問題逐漸引起社會各界關注。同時，2011年比歐盟相關規定要求更高的《火電廠大氣污染物排放標準》出臺。該標準強調了對煙氣排放的監管，大幅提高了煙氣脫硝的標準，即所有新建火電機組的NOx排放量不得超過100 mg/m3。可見，NOx的排放控制已成為國家經濟可持續發展和環境保護的迫切需求，相關企業的脫硝需求增加，行業熱度顯著上升，關于煙氣脫硝的工程技術研究也進入了快速發展階段。在此階段，我國綜合國力不斷提升，自主研發力度不斷加強，越來越多的高校及科研院所積極研發相應的工藝技術和材料，并逐漸與國際相接軌。數值模擬、計算流體力學等新興技術也被應用于煙氣脫硝工藝的研究中，掀起了煙氣脫硝技術發展的高潮。此外，我國專利制度也逐漸完善，使得此階段關于煙氣脫硝技術的專利申請大幅度提高。

③平穩發展階段（2021年至今）。現階段，對于煙氣脫硝反應機理的理論研究在學術界已基本達成一致，煙氣脫硝的工藝技術也日漸成熟，取得了較為豐碩的成果。如何開發更加高效的催化劑材料和更加節能降本的工藝或裝置成為此階段的研究重點。圍繞該研究重點，煙氣脫硝專利處于平穩發展階段。

1.3 主要申請人分析

煙氣脫硝技術專利申請量在全國排名前10的主要申請人如圖2所示。由圖2可知，西安熱工研究院有限公司（以下簡稱“西安熱工院”）的專利申請量最高，該研究院是原國家電力公司直屬的唯一從事發電廠熱能動力科學技術研究與開發的科研機構，擁有國家發展和改革委員會設立的電站鍋爐煤清潔燃燒國家工程研究中心，院內還設有碩士學位授予點和博士后工作站，科技隊伍實力雄厚。在此背景下，結合我國主要通過火力發電，且火電廠是大氣中NOx主要來源之一的社會現狀，西安熱工院成為煙氣脫硝技術專利申請量最多的申請人。同時，分析可知，專利申請量最高的10位申請人中有8位是能源領域的大型企業，且這些企業在生產過程中均會不可避免地產生NOx，從而推動企業不斷研究煙氣脫硝的新工藝、新技術。并且，前10位申請人大部分為企業及高校，也反映了在煙氣脫硝專利技術領域，企業和高校有更多的人力和物力進行技術更新，引領著煙氣脫硝技術的發展趨勢。

2 煙氣脫硝技術路線分析

煙氣脫硝，是指把已生成的NOx還原為N2，從而脫除煙氣中的NOx。目前煙氣脫硝技術可大致分為濕法和干法兩大類。相比于濕法脫硝，干法脫硝投資少，效果好，設備安裝簡單，運行成本低，在實際應用中受到更多青睞。干法脫硝技術主要包括選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）、非選擇性催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）和低溫等離子法等。而在實際應用中，受成本及反應效率的約束，前2種方法的應用較為廣泛［3-4］。因此，結合我國現階段煙氣脫硝專利現狀，本研究從SNCR脫硝工藝的發展、SCR脫硝工藝的發展及新工藝新方法的應用等3個方向對我國煙氣脫硝專利技術路線進行分析。

2.1 SNCR脫硝工藝的發展路線

SNCR是一種成熟的低成本脫硝技術，該技術以爐膛或者水泥行業的預分解爐為反應器，將含有氨基的還原劑噴入爐膛與煙氣中的NOx反應，生成氨和水。此種方法雖然具有投資成本低，操作簡單等優點，但NOX的脫除效率易受反應溫度、NH3與NOX的化學計量比、混合程度和反應時間等因素制約。因此，設計合理的SNCR工藝是達到高NOx脫除效率的研究重點。

SNCR技術已經過了數十年的研究和發展。在SNCR技術中，溫度對此還原反應的影響很大，一般SNCR脫硝技術反應的窗口溫度為850～1 050 ℃［5］，關于其最佳反應溫度已基本達成共識，普遍認為在950 ℃左右加入還原劑會實現較好的脫硝效果。因此，近年來，關于SNCR技術研究多數集中在反應裝置的優化上，以期獲得更佳的反應工藝條件。例如，江蘇東圖自動化設備有限公司在專利CN116272324A中公開了一種SNCR煙氣脫硝裝置，通過螺旋排煙片和由多層環狀的環形噴淋管所構成的尿素噴槍的配合，改進了尿素溶液與煙氣的接觸深度，提高了兩者的接觸時間和接觸效率，保證了尿素與煙氣中所含有的氮氧化物的反應，提高了氮氧化物的脫除效率。再如，福建龍凈環保股份有限公司在2016年提出了一種SNCR煙氣脫硝的方法（CN106268261A），該發明在循環流化床鍋爐爐膛上部、旋風分離器入口水平煙道和旋風分離器煙氣出口處分別噴射還原劑，實現了還原劑噴射系統的分區實時控制，同時可根據脫硝系統出口NOx濃度與循環流化床鍋爐負荷的變化，實時調節還原劑的噴入量，從而達到鍋爐SNCR脫硝系統最佳運行狀態。同時，隨著數字模擬技術的出現，也逐漸有申請人將數字模擬技術應用于SNCR技術的研究中。國能南京電力試驗研究有限公司在專利CN116382392A中將數字模擬技術應用于電站煤粉鍋爐的SNCR工藝研究，該發明基于數字模擬計算運行工況下爐膛內的SNCR噴氨區的煙氣溫度分布，保證了對爐內燃燒溫度整體分布的精準分析與預測，實現了對鍋爐負荷、溫度場變化的快速響應和跟隨，提高了脫硝效率，降低了還原劑消耗，實現了SNCR系統噴氨的精準控制。而發明專利CN114067933A公開了一種水泥SNCR智慧運維方法及系統，實現了SNCR系統的智能化控制，SNCR脫硝效果更精準。

在SNCR脫硝工藝中，由于反應條件對反應效果影響巨大，工藝條件的優化起著至關重要的作用。反應裝置的不斷優化，以及一些數字化、智能化技術的應用推動了SNCR脫硝技術的發展。

2.2 SCR脫硝工藝的發展

SCR脫硝技術是利用催化劑在氧氣存在的條件下，通過氨、CO或碳氫化合物等還原劑，將煙氣中的NO還原為N2。相比于SNCR技術，SCR脫硝技術不需要較高的反應溫度，同時又具有效率高、選擇性能好、可長時間穩定運行的優點，能滿足越來越嚴苛的NOx排放要求，是現階段發展前景最好的固定源脫硝技術。

SCR脫硝技術中最重要的部分便是催化劑的引入。專利CN1475305A中提出了一種以V2O5為活性組分，以活性炭為支撐體制備的整裝蜂窩脫硝催化劑；專利CN1792455A以蜂窩狀活性炭為載體，以鐵、錳、釩的一種或幾種金屬氧化物為催化活性組分；專利CN101554581A則以氧化鋁、氧化鋯為載體，以銀、鈀貴金屬為催化活性組分。然而，上述催化劑雖然具有較好的低溫活性，但其低溫抗中毒性能均較差且制備成本較高。因此，研發具有自主知識產權的高效、無毒、廉價的煙氣脫硝催化劑已成為我國煙氣脫硝技術的重要課題。南京工業大學在專利CN102008952A中提出了一種以錫鈰鎢復合氧化物為催化劑活性組分，鈦鋯復合氧化物為載體，蜂窩陶瓷為支撐體的復合金屬氧化物催化劑，降低了催化劑成本；上海大學在專利CN114505082A中公開了一種低溫氨選擇性催化還原氮氧化物催化劑的新型制備方法，制備出的催化劑具有優異的氨選擇活性、良好的抗多重中毒性能。在不斷開發更加高效的新型催化劑的同時，一些研究者也將注意力放在SCR脫硝反應器的優化上。中國石油化工股份有限公司在專利CN205164505U中提出了一種鍋爐煙氣選擇性催化脫硝裝置，使得鍋爐煙氣的NOx排放濃度由440 mg/Nm3降低到100 mg/Nm3以下；西安熱工研究院有限公司的專利CN113426295A利用焦廠既有的熱源系統實現脫硝，在不需要額外增加加熱設備、不增加持續的投資及不增加處理煙氣量的前提下提高了換熱效率，實現了焦爐SCR催化劑在線熱再生。

2.3 煙氣脫硝技術新工藝新方法的發展

從以上兩種發展路線可看出，SNCR和SCR技術雖然有著各自的應用優點，但SNCR技術的脫硝效率較差且反應條件較為苛刻，SCR技術由于催化劑的使用存在著生產成本高的缺陷。基于此，不斷有學者探索煙氣脫硝技術的新工藝和新方法，以進一步提高脫硝效率，降低生產成本。

南京凱盛國際工程有限公司的專利CN217220894U，提出在SNCR脫硝技術的基礎上耦合中溫SCR脫硝技術，該方法將SNCR和SCR技術協同配合，大幅提高了脫硝效率，并極大減少了催化劑的用量，降低了運行成本，且不必額外配置氨熱解或蒸發設備，從而簡化了結構，大大降低了投資成本。除此之外，云南馳宏鋅鍺股份有限公司在專利CN116651185A中提出了一種新的脫硝方法，該方法將臭氧引入脫硝反應并結合脫硝吸收劑從而實現脫硝，無特定溫度要求，也不必加入催化劑，可有效降低脫硝成本。北京大學在專利CN102908883A中采用100～300 nm的紫外線對煙氣進行輻照，實現煙氣的同時脫硫脫硝，且不會產生二次水污染和固體廢棄物污染。

綜上所述，煙氣脫硝專利技術的發展路線清晰，但在未來發展過程中仍然存在多種可能。首先，催化材料正蓬勃發展，在催化材料的改進上仍亟待突破，以尋求傳質效率更高和制備成本更低的新型催化材料。其次，在反應器系統方面，新興的人工智能技術不斷發展，如何將新技術融入反應系統，實現反應系統的智能化、精細化控制，也是值得研究的問題之一。最后，現階段國家大力倡導綠色經濟，探索開發更加綠色便捷的生物質脫硝技術也是未來的發展方向之一。

3 結語

通過對我國近年來煙氣脫硝技術的專利分析可知，傳統的干法脫硝技術已經相對成熟，各種新型的催化劑和反應工藝層出不窮。目前我國煙氣脫硝技術專利主要集中在如何提高反應效率，降低運行成本，并減少對環境的危害等方面。雖然現有的專利技術在一定程度上實現了降本增效，但仍存在設備結垢、腐蝕和氨逃逸導致的二次污染等問題，尤其是在深度脫硝方面還存在技術瓶頸，這也對脫硝技術的發展提出新的挑戰。基于此，在實際應用中，要時刻關注國內外相關的先進專利技術研究，探索更加綠色高效的脫硝技術，同時借助智能化、大數據技術，推動煙氣脫硝系統的智能化和數字化轉型，助力我國煙氣脫硝領域專利技術實現新突破，取得經濟效益與環境保護的雙贏，推動我國乃至全球環保事業的發展。

參考文獻：

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