从专利角度看沸石转轮的技术发展

张金磊

摘要：本文通过对沸石转轮领域专利文献进行定量统计，从专利角度对国内外沸石转轮技术的行业现状和发展前景进行了对比分析，为研究人员对技术热点的把握和专利布局提供参考。

关键词：沸石转轮；专利；吸附；废气

沸石转轮，即沸石浓缩转轮系统，是全球公认的最高效的废气浓缩技术，沸石转轮吸附浓缩装置采用吸附—脱附—浓缩焚化三项连续程序，主要用于有机废气的治理，特别适用于大风量、低浓度场合。该吸附装置以陶瓷纤维为基材，做成蜂窝状的大圆盘轮状系统，轮子表面涂覆疏水性沸石做吸附剂。沸石转轮吸附浓缩装置主要由废气预处理系统、分子筛转轮浓缩吸附系统、脱附系统、冷却干燥系统和自动控制系统等组成。转轮后有后处理系统。其核心技术是高效吸附分离浓缩过程以及所采用的具有蜂窝状结构的吸附转轮。

图1 沸石转轮结构图

本文从专利角度对全球及在华范围内沸石转轮领域的专利文献进行定量分析，包括申请趋势、地域分布、主要申请人分布情况，以期了解各国和企业在该领域的专利布局及技术发展。

1专利申请趋势分析

图2 沸石转轮历年申请量分布图

图2是沸石转轮领域历年专利申请趋势，1987年，日本西部技研公司首次将沸石转轮成功用于VOCs净化处理，并于当年申请专利，标志着可投入工业应用的沸石转轮正式诞生。随后进入长达十年的技术积累期，全球专利申请量稳中有升，表明研发初期沸石转轮技术并未受到普遍关注。直到九十年代末期全球专利申请数量出现了较大幅度攀升，两个小高峰分别出现在2001年的12项和2003年的11项，可见经过十多年的技术孕育，加之全球对于废气处理的迫切需求，包括美国、日本在内的多个国家和地区均对沸石转轮的研发投入了更多的精力。相较而言，中国申请则出现的更为滞后，经过1999、2002及2003年的初步探索后，2006-2008年迎来一个发展小高峰，可惜的是随后并未跟随国外申请的增长趋势，究其原因一方面在于国外早期申请造成的技术壁垒，另一方面则是沸石转轮相对于传统固定床吸附研发需要更高的成本。随着沸石转轮核心吸附技术的日趋成熟，国外申请人自2010年后放缓了专利申请的布局。相反国内申请人在这一时期对于沸石转轮设备工艺改进表现出了极大的热情，专利申请量自2013年开始迎来一波爆发性增长，特别是2015年财政部、发改委和环保部联合印发《挥发性有机物排污收费试点办法》后国内多地相继开征VOCs排污费，政策倒逼进一步刺激了国内申请人在沸石转轮领域的研发投入，专利申请量于2018年达到惊人的66项，成为主导全球申请量的主要力量。

2专利地域分布分析

图3全球和在华沸石转轮专利地域分布图

图3显示了全球和在华沸石转轮专利地域分布，从上图可以看出，中国虽然在沸石转轮领域起步较晚，但得益于国内研发机构在相关设备工艺改进的后程发力，其专利申请数量在全球占有绝对优势。日本、美国在VOCs处理领域投入较早，基本引领了沸石转轮的核心技术发展，二者不仅关注研发创新，还尤为注重专利技术的全球布局，除了本土保护外，中国和欧洲是他们主要的技术占领市场。图中需要关注的还有中国台湾地区和瑞典，二者专利申请数量靠前则归功于为数不多的本土企业如台湾的华懋科技、杰智环境以及瑞典的芒斯特公司。

国内方面，位于前两名的江苏、上海与在后第三名的中国台湾地区拉开了明显的梯度，江苏月辉环、江苏楚锐和上海华懋、上海同璞分别是以上两省份专利申请数量的主要贡献者。我国沸石主要分布在中东部地区，浙江、山东、安徽等地借助于本地资源优势，成为沸石转轮专利申请持有量较多的地区。广州、北京则因为地理位置优势受到多家沸石转轮研发机构的青睐。

3主要申请人分析

图4国内外沸石转轮专利申请人分布图

图4为国内外沸石转轮领域前10专利申请人排名分布，从图中可以看出，国外申请人前10位中仅日本企业就霸占了5席，并且西部技研以绝对的数量优势居于榜首，大金工业紧随其后。作为沸石转轮领域的先导者瑞典蒙特斯与日本东洋纺并列位于第三。KUMA TOSHIMI与西部技研作为共同申请人在沸石转轮领域共布局5项专利，位列第五。日本霓佳斯专注于沸石转轮吸附元件研究共申请了4项专利。另外四席则分别由美国和德国企业平分。在华申请人分布前两名则均由中国台湾企业占据，分别是华懋科技和杰智环境，由此可见台湾地区申请人在沸石转轮处理VOCs领域较内地申请人拥有更为雄厚的技术实力。青岛华世洁公司位于在华申请人排行第三名，其旗下子公司纳博科拥有自主研发的沸石转轮技术。随后四至九名则均由江苏和上海两地的申请人所垄断，这也呼应了以上专利申请地域分布的特点。第十名为可迪尔北京公司，虽然其专利申请数量仅为3件，但其在国内代理经销东洋纺沸石转轮，配套组装技术较为成熟。

4技术热点分析

沸石转轮技术的发展当前主要集中于两个方面：吸附性能改进和设备工艺改进。吸附材料作为整体技术的核心，其发展路线在于沸石吸附材料疏水改性技术的改进对有机化合物的选择吸附能力的增强。沸石含有率直接决定了吸附效率，转轮吸附材料已由最初的天然沸石涂覆被疏水性能更优的高硅铝比合成分子筛所替代，主流的吸附材料类型包括Y型、ZSM5型分子筛及其相应的改性优化材料。脱附性能同样是影响沸石转轮吸附效率的重要指标，提高脱附性能的手段主要包括（1）设置前端高沸点VOCs物质去除设备；（2）提高脱附温度和脱附再生风量，降低浓缩倍数；（3）定期进行高温脱附再生，如高压清洁水清洗和在线高温活化等手段。

针对吸附-脱附-浓缩焚化三项连续程序以及相应的废气预处理系统、转轮浓缩吸附系统、脱附系统、后处理系统进行设备工艺改进是沸石转轮技术发展新时期的主要内容。国内在沸石转轮行业起步较晚，生产企业多以组装、代理为主要经营模式，从而激发了国内申请人在转轮系统串并联改进以及装配结构提升净化效能的深入研究。此外，与沸石转轮配套连接的后处理催化燃烧技术“沸石转轮+RTO（蓄热式焚烧炉）”以及“沸石转轮+RCO（催化燃烧设备）”也成为国内专利申请的关注热点。

5专利布局建议

吸附性能方面，作为设备核心的沸石吸附单元基本依赖进口，国外专利对于吸附材料的研究已从天然沸石过渡至人工合成沸石方向，并且目前国内尚无直接针对沸石转轮所用沸石材料特别是天然沸石材料应用的相关专利申请，鉴于天然沸石相较合成沸石应用成本的优势，沸石企业在专利布局方向可选择将高硅铝比天然沸石与吸附改性工艺（如骨架脱铝提高疏水性）相结合后应用于沸石转轮吸附单元，一方面通过吸附改性克服自身性能缺陷，另一方面突出天然沸石使用的成本优势，从而填补国内专利申请在该技术领域的空白。

设备工艺方面，经过近年来国内外申请人对于结构改进和系统优化的聚焦，国内相关专利布局已初步形成，并且进入精细化改进阶段，在此环境下，建议企业“弃大抓小”细化技术改进点，以某一特定结构或工艺着手寻求突破，提高专利申请质量和授权概率。此外，在专利申请类型上，应注重发明专利申请和实用新型专利申请的搭配技巧，对于涉及设备优化和结构改进的非核心专利采用实用新型进行保护，以建立时效优势；对于涉及材料制备、工艺调整的重点专利申请发明专利保护，以提高其专利稳定性及保护年限。

参考文献

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[2] 高博，曾毅夫，叶明强，刘胜强. 治理VOCs的新工艺——沸石转轮吸附浓缩+催化燃烧[J].中国环保产业，2016（8）：39-41,45.

[3] 王毅. 沸石转轮+RTO工艺在低浓度VOCs废气治理中的应用[J].机电信息，2020（2）：36-40.

作者简介：张金磊（1985-08），男，汉族，籍贯：河南省鹤壁市，当前职务：审查员，当前职称：助理研究员，学历：本科，研究方向：知识产权