基于CCS的MEA脱碳技术全球专利发展态势

魏凤，江娴，周洪，张九天，张贤，李小春

（1中国科学院武汉文献情报中心，湖北 武汉 430071；2科技部21世纪议程管理中心，北京 100038；3中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071）

基于CCS的MEA脱碳技术全球专利发展态势

魏凤1，江娴1，周洪1，张九天2，张贤2，李小春3

（1中国科学院武汉文献情报中心，湖北 武汉 430071；2科技部21世纪议程管理中心，北京 100038；3中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071）

以单乙醇胺（MEA）吸收法为主的脱碳技术被认为是较具可行性的 CO2捕集技术。本文主要针对 MEA脱碳技术开展专利分析，建立MEA技术专利分析方法，研究认为基于二氧化碳捕集、运输和封存（CCS）应用的MEA脱碳技术在近十年得到大幅增长，其中增长较快的国家有美国、中国、日本、澳大利亚等，中国和韩国在近3年尤其增长较快；各国MEA脱碳技术专利的侧重点和优势各不同，美国、日本、俄罗斯等国专利较为倾向烟气脱碳、装置、材料等实际应用，中国则倾向于MEA基础方法研究，该研究结果有望为我国MEA脱碳技术研发创新、专利申请与保护提供参考借鉴。

二氧化碳捕集、运输和封存；单乙醇胺法；专利分析；全球态势

21世纪以来，以CO2为主的温室气体排放及所带来的气候变化与环境问题受到全球的普遍关注[1-3]。2008年，国际能源署提出，CO2捕集与封存技术（CCS）是解决气候变化问题的必要技术，应加以积极推进[4]。

CCS是兼顾能源利用、经济持续发展与 CO2规模化减排的战略性新兴技术。根据技术流程阶段划分，CCS分为CO2捕集、CO2运输和CO2封存三个阶段；其中CO2捕集是将烟气排放中的CO2吸收、吸附、提纯的技术，被认为是CCS实施的首要技术环节[5]。

单乙醇胺（MEA）脱碳技术是利用乙醇胺溶液与烟气中CO2发生反应，从而捕集CO2的技术，是较具可行性的 CO2捕集技术之一，具有吸收 CO2速度快、负载大等优点，适用于大规模、大流量排气源的CO2捕集技术[6-8]。本文将主要针对MEA及相关技术开展专利分析，了解全球MEA技术专利的发展态势、相关技术与发明人总体变化趋势、MEA技术分布领域等状况，掌握并比较各国在MEA专利申请的发展态势与活跃程度、重点发展方向、近年来专利申请变化较快的技术，期望为我国MEA技术研发与专利申请保护提供参考借鉴。

1 研究目标

CO2捕集技术是CCS规模化发展的重要技术环节。目前，利用MEA捕集烟气中CO2的技术较为成熟，已经在天然气处理和制胺等化工领域中得到成功应用，但是用于大规模CO2排放源的捕集在国内尚还处于开发应用阶段。一般而言，MEA具有CO2吸收速率快、CO2脱除效率高等优点，但是也存在解吸能耗高、成本高、腐蚀性强、再生难度大、氨易降解等不利因素[9-10]，严重阻碍了MEA在处理大流量CO2气流中的应用，因此如何通过设备、工艺、方法、能耗、水消耗等关键技术的解决以实现MEA在CCS中的规模化应用，是MEA技术研发所关注的重点问题[11-13]。

针对上述问题，将采用专利分析方法，研究并揭示MEA技术的全球专利发展态势与技术发展、分布及变化。

2 专利检索与分析方法

为了深入分析MEA技术全球发展态势与技术分布情况，分别在采用国际专利数据库（DII）和中国科学院专利在线平台专利数据库的基础上，结合两者的数据信息，尽可能获取全面信息，以开展MEA技术专利的筛选、清理与分析。

在确定检索方法时，主要在以MEA为主的技术基础上，确定检索范围及关键词，设定专利检索式，如表1所示。最终的检索方法是对表中检索式的结合。MEA专利检索的截止日期为2014年4月15日。

表1 MEA专利检索式分析

3 MEA全球专利研究结果及分析

基于对MEA技术专利数据信息的检索，利用Thomson Data Analyzer（TDA）、Aureka和Thomson Innovation（TI）等专业的专利分析工具和平台，以及Microsoft Excel 数据分析软件，对MEA技术开展全球及各主要国家的专利发展态势、技术领域分布重点与变化、专利权人变化等分析。

3.1 基于 CCS的全球 MEA技术专利发展变化分析

图1表示了基于CCS应用的MEA技术全球专利数量发展变化情况。很显然，全球MEA专利发展是以 2005年为界线，分为两个阶段：第一阶段（1964—2005年），MEA专利最早于1964年申请，到2005年以前，每年MEA全球专利数量不仅维持较低水平，还呈现了一种波浪式的发展状况，在一些年度甚至没有MEA专利申请；第二阶段（2005年至今），MEA全球专利数量迅速增长，到 2011年达到历史最高点，近两年有所回落，但是这期间正是全球高度关注温室效应和 CCS减排这一新兴领域的时候，很可能受CCS发展的推动，从而带动了MEA等相关技术的专利申请。

3.2 TOP9国家的MEA专利发展变化趋势分析

图 2表示按照专利数量排名前 9位的国家在MEA技术专利上的发展变化情况。从专利总量来看，MEA专利数量较多的国家依次是美国、中国、日本、加拿大等；从专利申请早期来看（1990年以前），德国最早在1964年申请到MEA专利，俄罗斯（前苏联）在20世纪70、80年代申请的MEA专利技术较多；从专利发展中期来看（1990—2004年），日本、德国、俄罗斯及美国的MEA专利发展较快，专利申请数量明显多于其他国家；从近 10年的发展趋势来看，美国、中国、加拿大、韩国和法国的MEA专利数量增长快速，其中尤以美国专利增长幅度最高，年专利量达到40余项，这表明随着CCS捕集技术的发展，越来越多的国家重视MEA技术专利的申请，其中美国申请的专利数量最多。

图1 全球MEA技术专利发展变化趋势

图2 专利数量前9位国家的MEA专利发展变化情况

3.3 全球 MEA专利新增技术与新增专利权人的变化发展分析

图3表示了全球MEA专利涉及的技术条目和发明人随时间变化发展的趋势。图3(a)表示了MEA申请专利涉及的原有技术条目、新增技术条目以及总技术条目随时间的变化情况。总体来看，MEA原有技术条目、新增条目和总的技术都随着时间呈增加趋势，其中每年MEA专利中都会涉及有新增的技术条目，尤其在近年来的新增技术条目数量较多，反映出MEA研发领域持续有不同新技术的介入以及技术之间不断交叉、融合和创新的发展态势。

图3(b)表示MEA专利的发明人、新增发明人及发明人总数随时间呈现总体上升趋势。从图3(b)中可明显看出，MEA新增发明人数量增长迅速，表明有越来越多的研发人员加入到MEA技术的发明中，同时也反映出该领域技术创新、技术竞争与知识产权竞争越来越激烈。

图3 全球MEA专利新增技术与新增发明人的变化

3.4 全球MEA专利的技术分布分析

表2表示了依据国际专利得到的MEA专利所涉及的技术领域分布及占比结果。专利申请数量最多的技术方向是用于CO2吸收分离的MEA技术，不考虑交叉技术下，其技术专利有275件，约占全球MEA专利总数的36.8%，其次是用于碳氧化物分离技术，有159件，约占全球专利的21.3%，并且这两个技术方向的专利在 1970—2013年间持续被申请。从最新时间来看，用于组合物中包含哌嗪等有机物的技术专利在近10年才开始申请，属于较新的技术方向。

表2 MEA专利覆盖TOP10的IPC技术方向及其专利占比情况

图4 主要国家MEA专利覆盖的技术领域与侧重

3.5 主要国家MEA专利的技术分布比较

图4 表示美国、中国、日本、俄罗斯、法国等主要国家的MEA专利涉及的技术领域及占比份额和技术侧重的结果。从分布的主要技术领域来看，各国在通过吸收分离CO2的MEA技术领域的专利数量最多，其中俄罗斯在该领域的专利占本国专利数量的70%以上。

从各国MEA专利技术领域分布的特点来分析，美国除了在吸收分离CO2和碳氧化物分离技术的专利较多外，在酸性气体CO2分离、天然气加工、气液分离等其他8个技术领域的专利数量较为平均；中国专利主要涉及CO2吸收分离等9个领域，并在二氧化碳的研究上申请较多专利；俄罗斯专利涉及了5个技术领域，并在CO2吸收分离方法和装置研制上申请了较多专利；日本专利分布在10个技术领域，并在CO2吸收分离和烟气处理上有较多专利；法国专利侧重在酸性气体中CO2的分离技术；德国专利技术分布与美国较为相似；韩国专利侧重在CO2吸收分离方法和化工领域方向。

3.6 主要国家 MEA优先权专利重点技术及近年变化分析

表3表示MEA专利申请主要国家的优先权专利数量及近3年专利占比、重点技术领域和近3年专利技术的变化情况。总体上，各国专利的重点技术领域主要集中在吸附作用分离、碳氧化物分离，除此之外，各国专利技术也各有侧重，如美国在MEA材料的专利较多，中国在CO2性质研究上有较多专利，俄罗斯侧重吸收装置，日本侧重废气中CO2的分离，法国侧重酸性气体中CO2分离，德国侧重天然气加工，韩国侧重化工领域应用。

从近3年专利技术变化来看，美国、日本在烟气/废气CO2分离技术的专利量上呈升趋势；法国、德国在CO2吸收分离专利量呈上升趋势；中国对二氧化碳、碳及化合物方面的专利申请量上升，而在酸性气体CO2烟气分离技术的专利申请量下降；俄罗斯在碳氧化物分离、二氧化碳性质研究方面的专利数量呈下降趋势；此外，美国近3年还在应用材料、硫氧化物分离技术方面的专利申请量有上升趋势。

3.7 主要国家专利技术的研发重点

为了进一步掌握主要国家MEA技术专利的重点，下面对专利数量最多的排名前9个国家（依次为美国、中国、日本、加拿大、澳大利亚、俄罗斯、德国、法国、韩国，如图2所示）的专利开展分析，并结合专利被引频次、保护地区是否广泛等重要信息，得到如图5所示的结果。结果显示这些国家中，CO2吸收能力方面的专利数量最多，占比达到38.46%，其次为能耗方面的，占比为23.08%，然后是CO2降解技术。

图5 申请国家数量前9名的专利关注的问题

3.8 被引用次数最高TOP10专利分析

表4表示了当前MEA技术专利被引频次最高的前10项专利的详细信息，包括专利号、来源国家、被引频次、专利权人、内容以及是否在华申请。被引频次最高的专利来自挪威海德鲁公司，但从国家来看，美国、日本、加拿大公司的引用专利次数较多，表明这些公司比较注重形成专利集群和专利保护。

表3 主要国家MEA专利数量TOP10技术方向及近3年技术变化情况

表4 被引次数前10名专利分析

4 结 论

从上述分析可看出，2005年以来，随着全球对CCS领域发展的关注，MEA等能够实现CO2规模化捕集技术的专利数量呈现出较快增长，不断有新的技术和新的专利发明人进入MEA技术研发领域，尤其在近10年中，MEA专利采用了较多新技术，发明人数量得到快速增长。

美国和日本是最早关注MEA技术专利申请的国家，两国最早从 1990年开始至今都持续开展MEA技术的研发和专利申请活动，并在近10年间保持加快专利申请的增长速度。与美国和日本相比，我国、韩国、加拿大、法国等的MEA专利数量在近10年增长较快。

和我国相比，美国、日本近年来较为关注CO2烟气分离、材料技术等，俄罗斯较侧重MEA吸收装置的研究与专利申请，我国则在CO2及CO2吸收分离方法上有较多专利，反映出国外专利较为侧重实际应用，我国较侧重基础方法类的研究。从专利数量最多的前9个国家来看，MEA技术专利最为关注CO2吸收能力、能耗和降解方面。

致谢：本研究获得了中国科学院武汉文献情报中心马廷灿副研究员的大力支持，在此表示衷心感谢。

[1] Paul Freund，Anthony Adegbulugbe，Qyvind Christophersen，et al. IPCC special report on carbon dioxide capture and storage[R]. Intergovernmental Panel on Climate Chance(IPCC)，2008.

[2] International Energy Agency(IEA). United Nations Industrial Development Organization (UNIDO). Technology roadmap carbon capture and storage roadmap(2011)[R]. IEA Publication，2011.

[3]Global CCS Institute(GCCSI). The status of CCS projects interim report 2010[R]. GCCSI，2010.

[4] International Energy Agency (IEA). World energy outlook 2008[R]. Paris：JEA，2007.

[5] 魏凤，李小春，刘枚，等. CCS国际标准化进展分析及对我国的启示[J]. 科技管理研究，2014，34（6）：201-205.

[6] Anand B Rao. Details of a technical，economic and environmental assessment of amine-based CO2capture technology for power plant greenhouse gas control[R]. National Energy Technology Laboratory (NETL) ，2002.

[7] Sigh D，Croiset E. Techno-economic study of CO2capture from an existing coal-fired power plant：MEA scrubbing vs. O2/CO2recycle combustion[J]. Energy Conversion and Management，2003，44（19）：3073-3091.

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[10] Yeh A C，Bai H. Comparison of ammonia and monoethanolamine solvents to reduce CO2greenhouse gas emissions[J]. Sci. Total Environ.，1999，228（2-3）：121-133.

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[13] Chakma A. Formulated solvents：New opportunities for energy efficient separation of acid gases[J]. Energy Sources，1999，21：51-62.

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Global patent trends and status of MEA techniques based on CCS

WEI Feng1，JIANG Xian1，ZHOU Hong1，ZHANG Jiutian2，ZHANG Xian2，LI Xiaochun3
（1Wuhan Documentation and Information Centre of Chinese Academy of Science(CAS)，Wuhan 430071，Hubei，China;221st Century Agenda Management Center，The Ministry of Science and Technology，Beijing 100038，China;3Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS，Wuhan 430071，Hubei，China）

s：Mono-ethanol amine(MEA) absorption technology for decreasing the emission of carbon dioxide is considered to be one of the most viable carbon dioxide capture，transportation and storage (CCS) capture technologies. Aiming at the patents of MEA technologies and through establishing the patent searching and analysis methods，it is thought that the MEA patents based on CCS have increased quickly in recent ten years. There are many MEA patents in American，China，Japan and Australia. Especially，China and Korea have a lot of MEA patents in recent three years. Different countries have different emphases and superiorities in MEA patents. American，Japan，Russian and other countries may focus on MEA practical application patents including decreasing-carbon from gas，equipment，material and so on，while China is inclined to studies on basic methods of MEA. These results will help to supply the reference for Chinese MEA technology R&D and their patent applications and protection.

carbon dioxide capture，transportation and storage(CCS); mono-ethanol amine（MEA）; analysis of patents; global trends and status

T 18

A

1000-6613（2015）12-4415-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.12.047

2015-03-20；修改稿日期：2015-04-15。

中欧煤炭利用近零排放国际合作项目（2021102400007），中国科学院文献情报领域优秀人才择优支持项目及国家自然科学基金项目（71103178）。

及联系人：魏凤（1977—），女，博士，研究员，硕士研究生导师，主要从事低碳技术相关的科技政策、标准与知识产权等管理、分析方法与应用的研究。E-mail weif@mail.whlib.ac.cn。