采用等离子体能量用于改善高炉效果的方法有：①用等离子体发生器进行超高温预热鼓风，并同方向喷入粉煤或其他碳氢化合物以代替焦炭；②用等离子体提供的能量来重整和加热含碳或碳氢化合物燃料，自炉外生成还原气体引入高炉。其优点在于：不像高炉那样必须建炼焦和烧结车间。焦炭消耗有限，可以从市场上购买，炉身和大多数装备都相应地减小，基建投资和操作成本比高炉节约得多。煤和焦炭消耗量低，也导致铁水含硫低，而在高炉中这要靠独立的脱硫处理才能达到。等离子体煤粉燃烧技术在上述两方面的科研成果，大部分都申请了专利，因而通过相关专利分析可以较好地反映出等离子体煤粉燃烧技术的研究和应用进展。本文通过分析国内外有关等离子体煤粉燃烧技术的专利申请的地理分布、技术热点及专利权人信息，判断并揭示当前等离子体煤粉燃烧技术的发展状况及发展趋势。相关专利申请状况分析本文检索专利申请所采用的数据库为当前最为权威的四大专利数据库：中国专利数据库（CNPAT）、德温特世界专利索引数据库（WPI）、日本专利文献数据库（PAJ）、欧洲专利局专利文献数据库（EPODOC），检索内容为2012年6月4日前所公开的所有有关等离子体煤粉燃烧技术的专利文献。检索的策略主要为关键词检索和IPC分类号检索，采用关键词为“等离子”、“煤粉”、“燃烧”，分类号为F23Q、F23D、C21B、H05H、F23C（具体含义见表1，表略）。在上述四大专利数据库进行检索后，经过去除重复专利文献、浏览相关专利文献摘要并删除不相关专利文献，得到189件有关等离子体煤粉燃烧技术的专利申请，其中发明专利申请154件，实用新型专利申请35件，外观设计专利申请0件。由于专利申请具有延迟公开的特点，有少量2010年的申请和大量2011年的申请还没有公开。
1．专利申请量的年度变化情况
为了能够客观地反映该专利技术的发展规律，首先研究其专利申请量随时间（以年份为单位）的变化趋势。等离子体煤粉燃烧技术的首次专利申请出现在1968年，是由美国的AVCO公司提出的。首次探索性的研究之后，出现了近10年的暗淡期，这是因为该技术首次应用后，要有相当长的一段时间让技术人员去解决该技术应用时所出现的各种技术问题，比如说还需要在电极材料、大功率线圈冷却、流体力学和传热领域做基础研究和积累实践经验，使其中的“错误”不会在后来的设计中重复。该技术专利申请量在1980年出现过一次小的明显增长，之后再经过几年的沉寂，在1986年达到第一个峰值19件，此后，申请量有所下滑，但仍然保持在一个比之前相对高的水平上波动，在2008年再次达到新的峰值22件。参见图1所示。众所周知，同族专利是一组具有相同发明主题，用相同或不同文种向不同国家或国际组织多次申请、多次被公开或批准，内容相同或基本相同的专利。申请人为了维护自己的潜在收益，不惜花费资金在许多国家申请专利，寻求保护，因而同族专利数量的多少可以作为衡量专利技术价值的一项重要依据。图1（图略）中的专利申请量未排除同族专利的因素，因此将等离子体煤粉燃烧技术相关专利申请中的同族专利与非同族专利区分开来形成图2。由前面的分析可知，从图2中下方非同族专利申请量的变化趋势，可以更为清晰地看出等离子体煤粉燃烧技术专利申请数量随年份的变化情况；图2中上方的同族专利申请量变化趋势，则反映了等离子体煤粉燃烧技术专利申请质量（技术含量和专利权的地域保护范围）随年份的变化情况。从图2中得到的结论是：等离子体煤粉燃烧技术专利申请数量实际上是一直保持平缓上升的，而在1986年、1988年、1991年、1996年、2008年，相关专利申请的质量大幅度提高，涌现出技术水平较高、要求保护的地域范围显著扩张的同族专利。
2．专利申请的国别分析
通过对专利申请的申请号进行国别统计，可以分析该技术的地理上的热点所在。从图3中的数据可以看出，目前该技术最活跃的地区在中国，相关专利申请量高达61件，是第二名的2倍左右，原因在于目前中国石油资源紧缺，以相对廉价的煤代替价格高昂的燃油的迫切性非常高；其次是俄罗斯（本文将前苏联的相关专利申请量并入俄罗斯的申请量中），相关专利申请量为30件，该国的煤炭和石油资源都非常丰富，但是其火力发电厂主要以烧煤为主，该国科技实力很强，且与中国在等离子体煤粉燃烧技术方面一直有良好的合作关系，在中国也申请了不少相关专利；日本在能源方面比较贫乏，因此该国不但在火力发电厂而且在高炉炼铁领域都一直积极尝试采用等离子体煤粉燃烧技术以尽可能节省燃油和焦炭，其相关专利申请量排行世界第三，达到21件；美国和欧洲国家的火力发电厂主要以烧油为主，故在这些地区相关专利申请较少。
3．主要申请人
图4（图略）显示了拥有3件以上等离子体煤粉燃烧技术专利申请的主要申请人，其申请量按照降序排列的汇总情况，统计过程中将各子公司的申请量与母公司的申请量合并统计。在此仅介绍排名前三位的申请人以及图中其余的中国申请人。申请量排名全球第一的是中国龙源电力公司，其相关专利申请量高达41件，并且多数是质量较高的PCT申请。该公司主要生产锅炉安全控制系统、火焰检测装置等产品，自1998年成立以来，坚持走自主创新之路，研发成功了具有世界先进水平的DLZ-200型等离子无油点火装置，并拥有完全自主知识产权。在等离子点火及稳燃技术的研发过程中，龙源电力攻克了等离子发生器技术、燃烧器内燃技术、等离子燃烧系统优化设计等多项重大技术难题，先后取得了多项国际和国内专利，并达到工业化应用水平。该公司已经在美国、加拿大、日本、澳大利亚、英国、德国等国家申请了等离子体煤粉燃烧技术相关专利。据估算，如果原电力系统机组均采用其技术，每年可节约燃油250万吨以上；如果国内火力发电厂全部采用其技术，每年可节约的燃油相当于一座中型油田的产量。该公司已经运行和正执行合同的采用等离子点火和稳燃技术的机组总容量超过1.3亿千瓦，还有上百台机组锅炉正在可行性研究和方案论证阶段。为开拓国际市场，2006年6月，龙源电力与英国三井巴布科克公司签订了在国际市场共同推广等离子体点火技术合作协议，这标志着其等离子点火技术走出国门取得实质性进展。按照协议要求，针对英国DRAX电厂的等离子点火技术改造方案已试验成功，并为出口欧洲市场作好了技术准备。此外，该公司已经与澳大利亚及英国的多个发电集团进行技术谈判，与俄罗斯的多个科研机构进行了有关等离子技术应用的交流、合作，还和美国的主要锅炉制造商开展了等离子燃烧器的技术研究。申请量排名全球第二的是澳大利亚悉尼大学，其相关专利申请量达到27件。悉尼大学创建于1850年，是澳大利亚最古老的大学之一。悉尼大学的物理系自20世纪70年代初就开始进行等离子体煤粉燃烧技术的科研工作，且多次组织世界范围内的等离子学术大会，享有较高的学术地位。该大学与澳大利亚新南威尔士州电力委员会有良好的合作关系，其研究成果能顺利地应用于火力发电厂和炼铁厂。申请量排名全球第三的是法国钢铁研究院（IRSID，institutderecherchesdelasederurgie），其拥有20件相关专利申请，全部为PCT申请。该研究院隶属于法国钢铁联合会和工业部，成立于1946年，其委员会由法国一些主要钢铁公司的董事长组成。它面向法国所有钢铁企业，承担它们所委托的各项科学研究任务，其宗旨是促进法国钢铁工业的技术进步和工艺革新。法国与比利时在普通高炉上进行了用等离子枪提高煤粉喷吹率的工业性试验，取得了成功，焦比下降到200千克/吨铁左右，法国在锰铁高炉上已经实现了商业化生产。北京光耀电力设备股份有限公司的该技术全球专利申请量排名第五。该公司成立于1997年，是致力于为国家建设提供高价值技术解决方案的高科技企业，核心业务分布在数字化风电远程监控与并网技术应用、交流等离子技术应用、节能减排解决方案等3类业务上。该公司研制的首台交流等离子点火系统在北京京能集团热电2号炉成功点火并网发电。交流等离子技术是国家重大科技成就之一，它创造了一种稳定的可控制的高温高焓值温度场，应用前景十分广阔。由于交流等离子具有电极寿命长、功率可调整等特点，其成为了目前市场应用的直流等离子的替代产品。南京创能电力科技开发有限公司的该技术全球专利申请量排名并列第八。徐州燃烧控制研究院有限公司和曲大伟的相关专利申请量排名并列全球第十一、中国第四。徐州燃烧控制研究院有限公司是江苏省首批高新技术企业，1983年开始从事锅炉自动点火的研发，经过二十多年发展，现拥有八大系列一百多种产品，涉及光机电一体化、节能、环保、新材料等高技术领域，年销售收入过亿元。曲大伟是哈尔滨九洲节能设备有限公司的法定代表人，该公司是集科、工、贸于一体的高新技术企业，在锅炉、加热炉燃烧系统的节能环保技术领域具有深厚的基础和经验。#p#分页标题#e#
4．专利申请的技术领域分布
利用国际专利分类号（IPC）对专利申请进行频次排序分析，可以发现发明创造最为活跃的技术领域、某一领域可能出现的新技术、某一技术领域中的重点技术。表1为等离子体煤粉燃烧技术专利申请按IPC降序排列的结果。等离子体煤粉燃烧技术经过四十多年的科研与实践，技术不断成熟，在某些技术领域由于其特殊的优势成了科研热点。如表1所示，统计结果表明排名前两位的技术领域是F23Q和F23D，即如何用等离子体顺利点燃煤粉和研制合适的燃烧器。目前，等离子体煤粉燃烧技术已经从开始只能点燃优质烟煤发展到能够点燃贫煤以及挥发份最小的无烟煤，为了形成合适的温度场和流场以利于引燃煤粉，设计独到的燃烧器也不断推出。排在第三位的技术领域是C21B，即铁或钢的冶炼。将等离子体煤粉燃烧技术应用于冶金业能节省大量昂贵的焦炭并使得冶炼工艺简化、产品质量提高。这项技术在冶金工业发达的国家特别是法国还有日本得到了应用。可以预见，该领域的科研工作会逐步得到重视，相关专利申请量会明显增长。目前我国在高炉炼铁技术领域仅有1件等离子体煤粉燃烧技术发明专利申请，名称为“电煤法熔融还原炼铁工艺”，申请号为200910180217.4，申请人为朝阳鑫钢熔融铸件有限公司，该申请处于在审状态。可见，我国高炉炼铁领域运用等离子体煤粉燃烧技术的水平还比较低，应当引起相关部门的重视。排在第四位的技术领域是H05H，即等离子体技术领域，该领域的研究重点在于等离子体发生器阳极材料、阴极材料、线圈冷却问题、大功率电源、控制系统及控制策略。其中，将微波技术引入等离子体形成过程是一项最新的技术。例如，名称为“一种微波等离子体点燃器”的发明专利申请（申请号为201010183105.7），于2012年2月24日被中国国家知识产权局授予专利权。该发明所采用的微波等离子体是一种通过无极放电产生的高电荷密度和温度的准平衡等离子体，它与直流、射频等离子体相比，具有转换效率高、温度高、体积大等特点。排在第五位的技术领域是F23C，即使用流体燃料的燃烧方法或设备。其中，将等离子体煤粉燃烧技术运用于流化床锅炉是有益的尝试。例如，名称为“循环流化床锅炉”的实用新型专利申请（申请号为201020251374.8，授权日为2011年5月18日），采用等离子体煤粉点火装置利用煤粉对流化床进行点火，能够用更经济的煤粉替代燃油进行点火，因此能耗低，比较经济；由于采用煤粉点火，与原来的燃油点火相比，能够在很大程度上避免火灾和人身伤亡事故的发生，因此比较安全；通过采用煤粉点火，使得NOx排放量大大减少，而且能够采用电除尘器进行除尘，防止大量黑烟的产生，因此比较环保。
结语
等离子体煤粉燃烧技术能够给传统的燃煤火力发电厂和炼铁厂带来可观的经济效益，并且更为环保。对该领域的专利分析结果表明，目前该领域专利技术的应用主要集中在点火、燃烧器设计、配套部件的选择等方面。我国在燃煤火力发电厂等离子体煤粉燃烧技术的研究和应用方面已经处于世界先进水平，并在很多其他国家申请了专利。同时，我国作为当今世界上钢铁产量最大的国家，在炼铁行业内还欠缺高水平的有关等离子体煤粉燃烧技术的专利申请，而在高炉炼铁领域采用等离子体煤粉燃烧技术是实现半煤半焦炼铁、提高经济效益和节能环保水平的重要途径，因此我国相关企业和科研单位有必要在此方面进行科研攻关，尽快形成高质量的技术成果并申请专利，以科技水平的提高来促进生产力的发展。
本文作者：李军 单位：国家知识产权局专利局材料工程发明审查部
