孙晓飞，周 云，赵鋆泽

(昆明理工大学 1.管理与经济学院；2.法学院, 昆明 650093；3.冶金与能源工程学院, 昆明 650504)

自第一次工业革命以来，人类对能源的需求与日俱增，随着化石燃料开采量和消耗量的不断增大，化石燃料资源的储量正在加速下降，人类不得不面对能源枯竭的问题。近几年，生物质能作为一种清洁、高热值的二次资源受到了广泛的青睐。生物质能的储存量巨大，是全世界总耗能量的10～20倍，但是目前的利用率却不到3%[1]。因此，生物质热化学转化技术已经成为当下世界各地研究的热点课题。在过去的研究中，虽然中国已经在生物质热化学转化技术方面取得了一定的进展，并且开发了相关的制备工艺，但是针对目前的技术现状和工艺发展缺乏系统、全面的梳理，因此在如何实现技术与产业的对接问题上缺乏一定的理论依据。本文总结归纳了近几年中国生物质热化学转化技术的发展趋势和情况，基于行业现状，利用专利分析的方法对其发展进行全面、系统的评估，并且从产业应用与技术转化的角度给生物质热化学转化行业的发展提供一个可靠的参考依据。

1 技术现状

生物质可以通过直接燃烧法、生物转化法以及热化学转化法转变成焦炭、生物油、燃气等二次能源[2]。直接燃烧技术[3]是指通过焚烧垃圾等方式获取热量并用于发电或者供热，虽然工艺技术简单，但是对生物质的利用率低，对环境污染大；生物转化技术[4]是指通过填埋、发酵、沼气等技术将生物质转变为二次能源的技术，生物转化技术对环境污染小，但是生产周期长，不能满足现代工业发展的需求。而热化学转化法[5]由于具备了污染小、转化率高、转化周期短等优点而受到了广泛的关注。生物质热化学转化技术是使生物质中的纤维素、半纤维素和木质素在高温、无氧条件下裂解生成小分子短链物质，从而得到气、液、固三种相态的产物。如图1所示，热解技术主要包括热解技术、气化技术以及液化技术。

在过往的研究中，很多国内外的学者都曾以不同角度概述了生物质热化学转化技术的原理及其在实验规模上的发展情况[6]。而这些技术在工业生产中的应用情况很难通过技术原理的综述性文章获取，因此，有必要从产业应用与技术转化的角度分析各技术点的发展情况，用专利分析的方法对其发展进行全面分析，以此来为国内生物质能产业化发展提供一个可靠的参考依据。

图1 生物质热化学转化技术的工艺概况

2 数据来源以及处理

本文对国内生物质热解技术的发展的分析主要依据IncoPat科技创新情报平台进行的。检索过程采用关键词检索与国际专利分类号(IPC分类号)相结合的方法，检索方式为简单检索，检索式为：TI=(生物质 or 生物能源 or 林业资源 or 生物炭 or 生物油 or 生物气 or 生物燃料 or 生物柴油 or 燃料乙醇or 生物燃油 or 生物废料or 生活垃圾 or 果壳 or 藻 or 木薯 or 大豆 or 玉米 or 粮食 or 木屑 or 小麦壳 or 稻壳or 生活垃圾 or 农作物 or 甜高粱 or 粪便 or 小桐子 or 黄连木 or 油桐 or 刺槐 or 芒草 or 沙柳 or 文冠果 or 生物颗粒 or 麻疯树 or 秸秆 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=(热化学转化 or 热解 or 碳化 or 固化 or 气化 or 液化 or 燃烧室 or 高温反应器 or 流化床 or 燃烧炉 or 制碳 or 制气 or 制液 or 制油 or 制焦 or 微波 or 共热 or 干馏 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))，经筛选公开国别为“中国”，检索结果经筛选公开合并申请号后，对剩余的专利文本进行人工降噪处理，最后共有8319件符合要求的专利。(专利检索的数据更新于2020年3月19日)。

3 生物质热化学转化技术专利分析

3.1 技术生命周期

利用专利指标法[7]对生物质热化学转化技术进行生命周期分析，探究现阶段整体技术所处生命周期阶段。

3.1.1 专利指标法

专利指标法是一种运用相关专利技术指标分析技术生命周期的定性定量相结合的方法。相关指标的含义以及计算公式如下：

1)技术生长率(ν)，指某领域的发明专利申请量(授权量)占过去5年发明专利总申请量(授权量)的比例。计算公式如下：

ν=a/A

(1)

2)技术成熟系数(α)，指在该领域中，某一年的发明专利申请量(授权量)占当年发明专利与实用新型专利的总申请量(授权量)的比例。计算公式如下：

α=a/(a+b)

(2)

3)技术衰老系数(β)，指在该领域中，某一年的发明专利与实用新型专利的总申请量(授权量)占当年发明专利、实用新型专利、外观设计专利的总申请量(授权量)的比例。计算公式如下：

β=(a+b)/(a+b+c)

(3)

4)新技术特征系数(N)。由技术生长率与技术成熟系数共同决定。计算公式如下：

(4)

式(1)-(4)中参数含义如下：

a—某技术领域当年发明专利申请量或授权量

A—某技术领域过去5年发明专利申请量或授权量

b—某技术领域当年实用新型专利申请量或授权量

c—某技术领域当年外观设计专利申请量或授权量

通过计算技术生长率ν、技术成熟系数α、技术衰老系数β、新技术特征系数N四个指标在历年的变化情况可以判断该技术所处的阶段，判断依据如表1。

表1 技术生命周期与四个专利指标的关系

3.1.2 技术生命周期分析

利用专利指标法对过去30年内中国生物质热化学转化技术的专利数据进行分析，并绘制相应的折线图，如图2所示。

图2 生物质热化学转化技术的技术生命周期指标

通过分析技术生长率ν折线可以看出，我国生物质热化学转化技术领域总体呈现波动发展的趋势，在1996年至2005年之间技术发展并不稳定，呈现震荡波动幅度较大的特点，2006年至2013年期间虽呈现下降趋势，但专利申请数量逐年增加，在2014年至2018年技术生长率又呈现上升趋势发展，说明该技术此时尚未成熟，仍处于技术生命周期中的成长期，在2013年突破了阶段性技术瓶颈后，技术又呈现发展趋势。

通过对技术成熟系数α折线和新技术特征系数N折线进行分析，可以看出两条折线总体均呈现出震荡上升的特点，图2共有4次相对重要的快速发展期，分别发生在1996年、2005年、2008年、2014年左右，其中2005年和2014年以后大量相关专利开始涌现。自2018年开始ν、α、N系数均略有下降趋势，技术创新难度逐渐提高、现有技术趋于稳定，但仍有大量可突破空间；通过分析抗衰老系数β折线，可以看出该系数在前期出现波动，但后期整体稳定在1，说明中国生物质热化学转化技术仍处于成长期。

3.2 技术发展趋势

通过利用上述方法筛选出的8 319件专利的申请日期进行归纳、整合，并且筛选出三项子技术的专利申请数据，将数据导入Origin 7.5后绘制了新增专利申请数量随年份变化的曲线图如下，如图3(a)所示，热化学转化技术自上世纪90年代开始萌芽，在2005年以前，年专利申请量增长缓慢，此时技术处于初步探索阶段，2005年以后生物质热化学转化技术得到飞速发展。而2013年到2018年之间发展速度相对缓慢。此外，由图3(a)可以曲线在增长过程多次出现了波动，说明热化学转化技术在发展过程中多次突破了技术瓶颈期。从气化技术、热解技术、热化技术专利申请趋势来看，三项子技术在2005后都呈现快速发展趋势，气化技术和热解技术发展势头迅猛，液化技术稍显薄弱，在2010年-2013年期间，气化技术专利年申请量有下降趋势。

图3 生物质热化学转化技术相关专利申请件数趋势变化

对图3(a)的热化学转化技术曲线进行一次微分后，可以得到申请专利数的变化率随时间变化的趋势，如图3(b)所示，在技术发展的过程中，一共出现了3次变化率小于0的情况，分别对应于图3(b)中的三个阴影部分，意味着遇到三次较大瓶颈。分别是2001年-2003年、2013年、2019年左右，其中2019年新增专利数量仅638件，较前年减少了34.2%。就目前的走势来看，如果科研人员不能在该项技术上有新的突破，生物质热化学转化技术或将逐渐趋于稳定，技术的创新性逐渐降低。然而，从上述分析结果中我们也可以发现，生物质热解技术一经发生萌芽，很快就进入快速发展期，而前两个瓶颈期的持续时间并不太长，这说明该项技术在发展过程中得到了足够的重视，企业与研究机构向其中投入了大量的精力和财力，这也侧面说明生物质热化学转化技术具有很大的探索空间与潜力，若能突破第三个瓶颈期，将会在接下来的几十年里保持活力。

从三个子技术的发展趋势来看，气化技术发展较快，液化、热解技术有待提升，这不仅与技术本身的研发瓶颈有关，还与技术产物的市场价值、应用成熟度相关联，如生物质技术已大量应用于大型连续式生物质气化技术及装备、生物质燃气热电联供技术及装备、高效催化剂体系研发等[8]，但“一代、二代生物柴油”受原料成本和催化效率低下的影响，虽然在工业上得到应用，但发展仍受到制约，以生物油脂为原料的“三代生物柴油”则在技术上并不成熟，固体燃料受成型技术、除杂、混配工艺的制约，在实用方面还有很大不足。

3.3 专利申请地域以及申请人

专利申请地域以及申请人的分布可以反映不同地区的科研人员与管理者对于一项技术的关注程度，可以侧面反映一个地域的科技水平和技术的产业化进程[9]。生物质能源主要是农林牧副产物转化而来，根据我国农业物分布、气候、经济发展等特点，将专利申请地区划分为华北(北京、山东、河北、江苏等地)、东南(浙江、广东、福建等地)、东北(黑龙江、吉林、辽宁等地)、中部(湖北、湖南、安徽、山西等地)、西北(内蒙、宁夏、新疆等地)、西南(云南、贵州、四川等地)，各地区所分布专利比例和各地区产业特点和资源优势如图4所示。其中涉及生物质能原材料的专利技术共计1 453件，其中非粮原材料专利945件，在这些专利中关于污水、生活垃圾等非农产物专利占据26.5%，其余原料多为富含木质素与纤维素的秸秆、林木、草植等；粮食原材料专利508件，现有生物质热化学转化技术虽然突破了生物质直接燃烧转化成热和电的局限，但在原材料中粮类作物仍占据很大比重，非粮植物等生物质能“二代原料”若解决生长地区、原料供应等影响，或将成为热化学转化技术的在工业产能上的“主力军”，近几年北京、上海等地区逐步实行的垃圾分类、污水处理措施也为生物质热化学转化技术的发展提供了一定的原料支持。

图4 生物质热化学转化技术相关专利地区分布及地区原料分布

根据排名前十的专利申请人进行分析，共计申请专利758条，对这些专利进行聚类分析，共得到气化工艺、生物质合成气 、热解系统、循环流化床气化炉、气化燃烧器 、生物油、燃料甲醇、气化炉反应器八个大类，其中气化技术相关专利368件，热解技术相关专利339件，液化技术相关专利48件，在这些专利技术中，关于技术设备、反应装置的专利技术占据346条，说明气化技术和热解技术仍是生物质热化学转化技术研究的重点，也反映了整个生物质热化学转化技术行业现行仍在突破技术设备，尤其是热解炭化技术的研究核心仍然集中在热解反应器上，热解反应器的改进可提高产油率和生物汽油的品质；在液化技术中，仍有很大的技术和设备突破空间，其中热解液化多联产系统专利占据了重要位置。

表2 生物质热化学转化技术相关专利申请量排名前10的申请人

3.4 专利技术领域

对生物质热化学转化技术的专利数据进行技术领域分析，结果显示IPC分类号主要分布于C(化学、冶金)、F(机械工程、照明、武器、爆破、加热)、B(作业、运输)等部，涉及C10、F23、F24、B01、C01、F22、C07、F01、C02、F02等大类，说明生物质热化学转化技术除了推动生物可燃气、液体燃料、固体燃料等化学领域发展，还带动了燃烧设备、供热通风系统、燃烧方法相关技术、无机化学的发展，出现领域交叉的现象。

利用关键词来统计生物质热化学转化技术的研究方向，将上述专利分为四类，分别是工艺流程与转化方法、设备、转化联动系统以及促进转化的技术手段。从统计结果中我们可以看出，与设备相关的专利占58.0%，说明生物质热化学转化技术在工业生产中已经得到了一定的应用，该项技术基本已经从实验阶段走向了工业化的阶段。在转化方法与工艺的研究中，气化技术相关专利占到了46.1%，反映了气化技术发展相对热解碳化技术与液化技术发展较快，具有很大的市场应用潜力。液化技术相关专利中，以超/亚临界水为溶剂的专利有54件，以甲醇、乙醇等醇类溶剂为主的液化转化工艺专利有86件。同样，转化设备的相关专利中气化炉等设备的专利数量占大部分，为73.0%，而热解碳化设备与液化设备占比分别只有24.2%与2.8%，说明气化技术基本已经实现产业化，而热解碳化与液化技术可能受到技术瓶颈的限制还停留在实验阶段。此外，一些与转化技术联动的技术在近几年里也受到了一定程度的关注，热解-发电系统与热解-供热系统的研究为新能源的发展提供了更广阔的思路，热化学转化过程除了可以产生相应的产品以外，其余热还可以作为发电与供热的能源，在全部专利数据中，涉及热电联产技术的专利共计121件，这是技术跨领域发展的体现。另外，在热化学转化技术发展的过程中，一些用来提高转化效率、促进转化过程的技术也纷纷涌现出来，其中，化学药剂催化技术较为突出，占比达到51.5%，微波热解、太阳能热解等技术同样也具有很好的研究前景，跨学科、跨领域研究已经成为行业发展的主流势态。

现阶段气化技术、热解技术相对于液化技术发展较快，相关专利年申请量大量增加，目前国内生物质热化学气化技术已广泛应用于生物质气化发电领域，相比于热解、液化技术具有燃烧效率高、产物丰富的优点，其研究热点仍然集中在发展高效、价低的高活性催化剂和含焦油少的气化炉的改进上；液化技术的发展受生物酶的影响，酶的品质决定了生物柴油的出产率，但从上述分析中可以看出目前我国生物酶的相关专利技术还处于薄弱环节，液化技术产业化程度低，以超/亚临界水、甲醇、乙醇等醇类溶剂的开发节省大量能耗成本，有利于液化技术的工业化推广；热解技术受产油品质不稳定和原料预处理成本的制约，难以推动生物质气化合成液体燃料产业的发展，若要实现产业上的广泛应用，需要从提高产出率、降低原料预处理成本、提升催化活性、分解冷凝和分离精制等技术入手。

表3 生物质热化学转化技术路线分析表

4 结论

目前我国生物质热化学转化技术仍处于成长期，整体的工业化程度低，商业模式和市场标准不健全。整个技术领域存在能源质量、评价体系、技术标准不健全、不规范等问题。为了降低技术投资风险，还需要进行大量的政策调整和研究支持。政府政策应以强制性目标为主，提高公众对生物质能源的认知程度，明确区分标准和控制工艺，建立稳定的市场发展环境。

生物质热化学转化技术整体发展趋势较快，但存在子技术发展不均衡的问题。因此针对相关弱项技术开发及推广的财政支持力度可适当增加，开发技术空白点；在产业应用上，建立热气电肥联产体系，充分发挥热化学转化技术在农村取暖、生物质供电、生物柴油相关领域的优势，推行试点区域，提升效益。

生物质原材料产地较为分散，原料运输成本高，森林资源利用率低[10]。因此鼓励开展区域性非粮能源作物示范点，充分利用这些土地种植生长速度快、生物产能高的非粮能源作物，既可缓解热化学转化技术在原料供应上的问题，同时可增加农民就业，缓解环境问题，建立以能源作物生产“生物质二代能源”的新型农业体系。此外，可以借助近几年试行的垃圾分类、污水处理等环保措施，将生物废物集中化处理生成生物柴油、生物可燃气等产物。