韩国氨燃料供应系统专利布局现状分析

战庭军,赵耀,王廷勇,赵超,曾维武

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司,山东 青岛 266101)

随着化石燃料的大量使用,环境问题日益凸显,使用化石燃料过程中排放出的温室气体是引发全球变暖的主要原因。近年来航运业高速发展,通过海上运输的国际贸易往来占80%以上[1]。当前船舶仍以化石能源为主要燃料,根据国际海事组织2020年数据,全球航运市场温室气体每年排放总量超过10亿t,其中碳排放达到了98%,2021年全球二氧化碳排放总量达到363亿t,航运业碳排放占世界总排放量的比例约为2.8%[2],而且每年全球远洋船舶排放的SO2约占人为排放源的8.1%,NOx约占排放总量的15.2%[1]。针对以上情况,国际海事组织加强了国际船东和船企的碳排放要求,提出了航运业发展的碳减排时间表和路线图。如果继续在海上船舶中使用不可再生能源作为动力来源,全球生态环境将面临更严重的恶化。国际海事组织(IMO)在2018年通过了《IMO船舶温室气体减排初步战略》,提出了逐步引入氢、氨等零碳燃料技术的中长期目标,旨在推动航运业实现零碳排放[3-6]。

韩国大宇造船、三星重工、现代重工三大船企早在2010年起便在船用绿色动力方面展开布局,并已在LNG动力供气系统形成专利布局体系,对我国LNG动力船舶产业构成现实威胁。在“双碳”目标背景下,氨作为一种“无碳新能源”再次引起广泛关注,在电力、交通等领域的脱碳提供新的选择[7-8]。氨燃料为富氢燃料,在能量密度、储存方面较氢燃料有明显优势[9-10],随着氨燃料船型开发、氨燃料主机研发等项目的推进,氨燃料动力船有望在2024年实现初步的商业化[11-13]。当前,在低碳/零碳燃料领域,韩国船企也开始围绕氨供应系统纷纷展开布局,本文对韩国大宇造船、三星重工、现代重工三大船企的氨燃料供应系统专利布局现状展开分析,以期为我国船舶氨燃料供应系统的技术研发和专利布局提供参考,并针对现有的专利布局体系提出应对策略。

1 资料与方法

本文使用的数据检索系统为韩国知识产权局下属韩国工业产权信息服务中心提供的专利数据库,首先以“氨”、“供应系统”为关键词进行检索,并根据“三星重工”、“现代重工”、“大宇造船”三个申请人分别进行二次检索。检索截止日期为2022年10月25日。对检索到的专利进行筛选,确保专利为氨燃料供应系统相关专利。

2 韩国氨燃料供应系统专利总体情况

韩国三大船企目前共申请氨燃料供应系统相关专利54项,各船企专利数量及技术方案概况如表1所示。

表1 韩国三大船企氨燃料供应系统专利数量及技术方案概况

2.1 现代重工专利分析

现代重工围绕氨燃料供应系统共申请5件专利,主要围绕一种核心技术方案形成专利组合,核心技术方案如图1所示。该技术方案主要包括供应单元、重整单元、尿素溶液单元、涡轮增压单元等部分,除可实现液货舱燃料升温升压后以气体形式供应主机的主流程外,还可实现氨重整制氢、制尿素溶液并对尾气脱硝、主机涡轮增压等其他流程。

图1 现代重工核心技术方案

现代重工在其核心方案的专利布局中,分别针对氨燃料供应、涡轮增压、多燃料供应、控制系统等不同方面展开专利申请,构建壁垒式防御型专利布局体系,如图2所示。

2.2 三星重工专利分析

三星重工(SHI)专利布局针对燃烧装置前端的氨燃料供应系统和后端的尾气处理系统两方面展开。在氨燃料供应系统方面,共布局10项专利,如图3所示。此外,其在尾气处理系统方面布局4项专利,内容主要围绕尿素储存形式(固态尿素储存、尿素水溶液储存)、尿素供应液氨去主机、尿素供应氨气去SCR反应器等展开。

氨燃料供应系统专利1中,储罐中的液氨经低压泵、高压泵加压,加热器升温后进入燃烧装置中燃烧;BOG经压缩机加压,冷却器降温液化后,一部分进入液氨供应管同液氨混合后供往燃烧装置,一部分经节流降温后返回储罐中,当燃烧装置停机时,BOG液化后仅返回储罐中,此时惰化单元吹扫惰性气体,将供应管路中的氨燃料吹扫至停机缓冲罐内储存。在专利1的基础上,氨燃料供应系统主要围绕储罐BOG气体处理方式(路径1→2→3)、停机时缓冲罐50中氨燃料利用方式(路径1→4、1→7、1→9)及改进流程(路径4→5→6、7→8、9→10)进行布局,各路径具体内容如表 2所示。

表2 三星重工燃料供应系统专利布局路径具体内容

2.3 大宇造船专利分析

大宇造船(DSME)采取“基本设计方案+详细设计方案+性能改进方案”的布局策略,其技术路线如图4所示。基本设计方案主要为氨+任意燃料供应,并提到了加热器(氨加热)以及尾气处理技术(SCR),系统可根据处理后气体中NOx浓度调节进入SCR反应器中的NH3流量,还可以根据航行区域调节氨和含碳燃料的燃烧比例,确保排放气体中的CO2含量满足相应要求。

性能改进方案为氨制氢辅助燃烧,用于改善氨燃料的燃烧。燃料储罐中的氨一部分进入氨分解装置中,利用压载水处理装置的交流电源对氨分解,分解得到的氢气在混合单元中同另外的氨气混合进入发动机中燃烧,利用氢气的燃烧速度快且反应性高来提高氨燃料的燃烧效率,从而减少发动机排气中的未燃烧氨。

详细设计方案为大宇造船专利布局重点,主要包括液氨同其他燃料的混合供应、液氨供应及制氢、液氨供应及BOG再液化。“氨+LNG+油”多燃料供应专利中,三种燃料可单独或混合供应往主机和辅机,LNG储罐中的BOG可经压缩机加压、换热器冷却后进入到辅机进行发电。液氨储罐中的氨气则可利用LNG供应时的冷能得到液化后返回到液氨储罐中。“液氨供应与制氢”专利中,氨燃料经升压升温后可供往主机燃烧,主机燃烧后的回流液进入气液分离罐中,液相返回高压泵入口前回用,高压气相可利用储罐BOG冷能液化后返回储罐中。此外,气液分离罐、压缩机后缓冲罐中的气体和储罐中的BOG也可进入重整器中分解为H2和N2,分离得到的H2可用于燃料电池,N2用于惰性系统或排放。

液氨供应及BOG再液化为大宇造船保护的重点方案,共布局10项专利,如图 5所示,其针对氨燃料供应、BOG再液化两个方面的工艺改进展开了具体布局。氨燃料供应中供应流体和主机回流流体共用一个缓冲罐,回流流体中的液体可直接回用,缓冲罐内的气体和BOG可经自冷器实现液化,液化后的流体返回到储罐中。

大宇造船液氨供应及BOG再液化专利布局则在基础的氨燃料供应系统上,增加了自冷器,可凭借氨气化时自身产生的冷能实现BOG液化。之后在氨燃料供应和BOG再液化两个方面分别了工艺改进,在氨燃料供应上增加了缓冲罐和后加热器,在BOG再液化上增加了回热器,并对回热器的位置进行了调整,其专利布局方式如图5所示。

3 我国氨燃料供应系统专利应对策略

韩国三大船企氨燃料供应系统专利申请开展较早,目前已形成了相对完善的布局策略及布局体系,其以氨燃料供应为基础,向BOG处理、尾气脱硝处理、提高燃烧效率、多燃料供应等方面展开拓展,并通过“A+B+C”方式对创新点进行排列组合展开了“堡垒式”专利布局。为避免韩国氨燃料供应系统专利布局对我国氨动力船舶产业构成现实威胁,本节提出我国氨燃料供应系统专利布局应对策略。

3.1 拓宽供应系统专利布局范围,实现氨燃料供应系统辅助单元全覆盖

氨燃料供应系统除基本的供应功能外,还包括BOG处理单元、尾气处理单元、惰性气体吹扫单元等辅助单元,且每个辅助单元可采用不同技术得到实现,如BOG处理单元可通过再液化、辅助燃烧、水吸收等技术,尾气处理单元可通过氨气、氨水或尿素进行NOx还原。通过对不同单元、不同技术采用“A+B+C”排列组合式布局,拓宽供应系统专利布局范围,实现氨燃料供应系统辅助单元全覆盖。

3.2 拓展氨燃料使用场景,实现船舶应用全覆盖

目前氨燃料供应系统专利申请主要围绕主机燃料供应展开,对氨燃料的使用场景相对局限。未来专利布局可对其使用场景进一步拓展,如通过与柴油、甲醇、天然气、氢气等其他燃料混合燃烧拓展氨燃料应用端到辅机、锅炉等其他使用场景。此外,船舶动力系统呈现多元化的趋势,燃料电池、混合动力系统在船舶上的应用越来越多,可针对氨燃料电池、氨分解制氢供氢燃料电池中的氨燃料供应及反应工艺展开前瞻性专利布局。氨在船舶中常以低温状态储存,在其使用过程中会释放大量冷能,还可针对冷能利用开展相应专利布局。在专利布局中,应考虑到氨燃料在船舶应用中的全覆盖,不局限于作为主机燃料,不断拓展氨燃料使用场景。

3.3 整合系统工艺,以技术突破打破专利壁垒

目前韩国氨燃料供应系统专利布局围绕于基本应用层面,在系统稳定性、经济性上没有做过多考虑。我国船舶设备企业应不断挖掘现有方案技术问题,进行技术改进和创新点提炼,从而实现对现有专利壁垒的突破并形成储备性布局。在系统稳定性提升上,可进行工艺流程优化和控制逻辑优化,形成新工艺和控制方法;在系统经济性提升上,可对辅助工艺流程进行整合和串联,在保证功能的前提下减少设备数量或降低系统能耗,如可对储罐氨气BOG进行分解产生N2和H2,N2储存用于系统吹扫,H2用于辅助主机燃烧等。此外,可联合核心设备厂家,对产业链技术进行专利布局,进一步把控市场。

近年来,中国船舶制造业在全球市场上所占比重明显上升,已成为全球第一造船大国,在核心船舶配套设备上做到自主可控,解决“卡脖子”问题尤为重要。氨燃料作为航运业零碳目标的解决途径之一,受到了各国生产商的重视,且氨燃料供应系统技术路线相对明确,因此尽快展开专利布局,构建专利壁垒尤为重要。国内相关研发生产企业应密切关注相关专利技术最近进展,及时展开专利分析,进行创新点挖掘并抢占创新制高点,形成“由点到面”的专利布局体系。