兰瑾耀,佟靖怡
(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心材料工程发明审查部,北京100190)
摘要:本文以全球水热法处理生物质领域的专利中请为分析样本,从发展趋势,国家区城分布和全球专利技术分布等多维度、分析了全球水热法处理生物质技术整体发展状况,通过对专利技术与非专利技术角度的回顾与展望。可以使得该领域的料研人员了解现实应用中存在的问题,以期获得更具实际应用价值的研究结果。
生物质能是地球上储量最为丰富的能源之一,其作为一种含碳能源并且具有可再生性受到越来越广泛的关注。生物质能可以通过化学或生物方法转化为一系列能源产品,如液体、固体、气体燃料及化学品,并且可以转化成热能或电能。随着生物质热化学转化方法的发展,使用临界流体对生物质进行液化即水热法已经成为国内外研究的焦点。利用临界流体对生物质进行液化,可将生物质资部转化为液体燃料或有用的化工产品,同时临界流体液化反应可以在相对低温的条件下进行,有效地减少能源的消耗。
1全球专利状况分析
截至2013年底,涉及水热法处理生物质的全球专利申请共计678件。本文在这一数据基础上从专利申请的发展趋势,国家区域分布,各国、各区域污泥处理领域市场,申请动向以及专利布局情况等几方面对生物质水热处理技术领域的全球专利状况进行分析。
1.1发展趋势分析
生物质水热处理技术的专利申请发展趋势主要从以下两个方面进行分析:1)全球专利申请总体发展趋势;2)中、美、欧、日、韩五方专利申请发展趋势。其中,所有数据均以目前已公开的专利文献量为基础统计得到,不区分申请与授权。
图1显示了生物质水热处理技术全球原创专利申请总量随年代的变化趋势。
该技术领域在1970年首次出现专利申请,申请量仅为1件,其后每年均存在不同数量专利申请,这种申请量较低的现象一直延续到1997年。到1998年该领域专利申请量终于上升到12件,同时在1998-2011年间,该领域专利申请量一直处于持续上涨的阶段,其中,年申请量最高值出现在2011年,该年申请量达到了98件。
由图2中的各四方的申请趋势可以看出,生物质水热处理技术在这儿年间总体呈增长趋势,但是各个国家的申请量变化趋势不尽相同:在中、美,日、欧、韩五方中,日本的总体申请量最高,同时日本在这个领域的技术研究也开展较早,和欧洲地区一样均在七十年代其开始了研究工作,同时日本相关专利申请量从整体上来看与全球申请量变化趋势趋同,且其在2007年以前虽然申请量也较低,但仍然处于世界领先的水平,这可以说明,在日本应该存在这一定数量的该领域的基础性专利文献。对于欧、美来说,这西个地区虽然在众多技术领域均具有较为先进的技术,并处干世界的领先水平,但是在生物质水热处理领域这两个地区申请量一直较低,其中欧洲地区的研究工作虽然开展较早,但是申请量一直很低,而美国相关技术研究开展较晚,但是近几年申请量有所增加。而我国,则是五方中开展技术研究最晚的国家,但是我国科研开展的连续较强,从2005年开始每年都保有一定的专利数量,并且保持逐年增长的趋势,并且在2011年开始,我国专利申请量已经达到世界领先水平。
在20年间日本一直占据领先优势,这是因为日本经济发展速度和本土资源极不匹配,日本资源有限,其势必不惜一切代价做好环境治理工作,因此日本的污泥处理技术一直处于世界领先地位,但是从2001年开始出现下降的趋势,从2001年的最高中请最1384件下降至2010年的474件,美国的污泥专利中请量一直处于平稳的永平,涨幅波动不大,20年间,最高申请量为224件,最低申请量为141件;欧洲的申请量变化幅度也较小,20年间,最高申请量和最低申请量分别为376件和215件。综上可见,日本在污泥处理领域已经遥遥领先。日本真正开始污泥利用始于70年代,主要作为肥料用于农业,发展到90年代开始以城市为中心,作为工业用的原材料,2010年前将其发展为火力发电用燃料。日本一直坚持污泥焚烧处理,日本70%左右的湿污泥都是通过干化、焚烧的处置方法达到最大的减量化,焚烧后的渣作为建材资源再利用。近几年,由于能源价格飙升,全球气候变暖等因素,日本污泥处理处置的技术路线发生了很大的变化,目前日本将污泥的生物质利用、能源化利用作为重点和突破点,这相对于过去几十年单纯的污泥处理方法有了很大的改变。中国的专利申请量在这20年间有了突飞猛进的变化,和上述三个国家、地区相比,中国污泥处理技术起步较晚,一方面这与中国专利度起步较晚具有必然的关系,另一方面我国经济发展水平与发达国家和地区相比也有一定的差距。
1.2技术领域分析
对全球专利的技术主题开展分析,以IPC分类号为分析对象,对全球专利申请量排名前十的分类号的专利申请数据进行分析。
从表1可以看出,申请量前十名的分类号中,主要涉及污泥的处理及其装置、固体废物的破坏或将固体废物转变为有用或无害的东西以及利用低于或高于大气压力使物质发生化学或物理变化的方法,同时在排名前十的分类好中还有涉及类似固体燃料产品以及含碳产品的生产。从中我们可以看出,这个技术领域专利申请的主要涉及方向,首先,对于原料来说,其涉及污泥处理的专利申请数量最高,可见采用水热技术处理或处置污泥也是,使得污泥能够充分的得到减量化、无害化以及资源化,是这个领域的一个主要研究分支。其次,该领域在制备含碳产品时,已经不仅仅把生产目标放在固体燃料的生产上,同时也涉及其他更加精细的含碳材料的生产,这就说明,研究人员已经不仅仅把研究重点放在,粗放的生产生物质燃料上,同时也对更加下游或者更加具体的产品产生了研究的兴趣。
2非专利技术研究现状
70年代初,Appell使用Na2CO3为催化剂,在水和高沸点溶剂混合物中,用压力为14-24MPa的CO/H2混合气将木片液化为重油,反应温度300-350℃,反应时间约1h,油产率可达40-60%,总收率可达95-99%,从而揭开了生物质超临界液化制取液体燃料的新篇章。生物质制油的这些特点,世界各国都非常重视。美国能源部与加利福尼亚大学在Lawrence Berkeley实验室联合研发了LBL工艺,LBL法的木材液化油得率为绝干木材质量的35%左右。元素分析结果表明,液化油中含碳81.4%、氢7.8%、氧10.8%,相对密度1.10,发热量35900J/g。日本国家污染和再生资源研究院采用CO/水/碱金属催化剂进行生物质液化,油产率50%,热值35000J/g,德国联邦森林和林产品研究中心研发了一步法催化加氢液化工艺,这些工艺的研发都进一步降低了生物质高压液化反应条件的苛刻要求,提高了液化反应产率,甚至可以使产率达到80%以上,在大规模应用上都具有一定的潜力。在我国,屈一新等以水做溶剂研究生物质液化,考察了反应温度、时间、生物质/水的比率对液体产物中重油产率的影响。李文志等研究了纤维素连续催化水解。白鲁刚等对生物质与煤的共液化进行研究,选用硫铁化物为催化剂进行煤与生物质加氢共液化。曲先锋等研究了生物质在超临界水中的热解反应。生物质液化技术是将低品位生物质能转变为方便利用的液体能源的途径之一,但该项技术尚未成熟,在技术、经济和政策等方面仍然存在问题,例如直接液化得到的生物质液化油必需经过改质提升才能作为燃料使用,品位提升已成为生物质直接液化技术发展的关键问题;另外,该技术生产液体燃料的成本远高于化石燃料。
3专利技术与非专利技术之间的借鉴关系
3.1专利与非专利技术现状对比
对比水热法处理生物质领域的专利技术与非专利技术我们不难发现,在该领域,专利技术表现的并不是很活跃,与非专利技术的活跃程度形成一定程度的反差,这从一定程度说明了,这项技术对于实际生产的指导意义仍然较低,很多科研始终停留在试验室阶段。
3.2专利技术与非专利技术的相互指导作用
首先,从非专利文献的撰写角度来看,在绝大多数非专利文献的引言部分,都会涉及对于现有技术发展的总结,但是其中很少会提及专利文献,这种现象在国内非专利文献上更为突出,这也说明国内研究者在科研阶段对于专利文献的关注较少,而对于国内科研人员来说,在科研过程中则基本上不会对国外专利文献进行关注,当然这也与科研人员对于专利检索工具的使用较为生疏有关。
其次,从对于现有技术的了解角度来看。国内科研人员了解现有技术的手段主要通过,国内外综述文献以及国外较为前沿的非专利文献,试图从综述文献上摸清技术发展的脉络,从外文科研文献上找到领域的前沿问题,从而找到自己的研究方向,或者该领域的研究进展。但是综述文献往往是一种现有技术的罗列,从技术内容上来看它往往只涉及技术领域的某一个分支,而很难涉及整个技术领域的发展情况,同时在现有技术罗列的过程中,往往逻辑性较低,不能使得研究人员充分了解技术发展的前因后果,容易造成理解的片面性。而在对于技术领域的发展脉络没有搞清之前就盲目的投入科研的选题工作,则可能会造成科研方向的偏差。但是如果研究人员能够从专利发展的角度去了解技术领域,尤其是国外在很多领域的发展上比我国的开展要提前很多年,通过了解那些较为原始的专利技术,并了解整个技术发展的脉络,则可以给科研人员呈现出,在技术发展过程中每一个新的突破点产生和发展的全过程,这对于后续科研工作的开展则更加具有实际意义。
最后,专利文献和非专利文献都是科研过程中重要的资源,从非专利文献中,我们能够获得更多涉及方法原理上的技术信息,从原理出发能够更多的对实际应用过程中遇到的现实问题进行解决。同时,从专利文献中,我们能够获得更加贴近实际的技术信息,使得科研人员能够了解到,现实应用中更加亟待解决的问题是什么,从这个角度入手进行研究,将会得到更加具有实际应用价值的研究结果。
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