韓國氨燃料供應系統專利布局現狀分析

戰庭軍,趙耀,王廷勇,趙超,曾維武

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司,山東 青島 266101)

隨著化石燃料的大量使用,環境問題日益凸顯,使用化石燃料過程中排放出的溫室氣體是引發全球變暖的主要原因。近年來航運業高速發展,通過海上運輸的國際貿易往來占80%以上[1]。當前船舶仍以化石能源為主要燃料,根據國際海事組織2020年數據,全球航運市場溫室氣體每年排放總量超過10億t,其中碳排放達到了98%,2021年全球二氧化碳排放總量達到363億t,航運業碳排放占世界總排放量的比例約為2.8%[2],而且每年全球遠洋船舶排放的SO2約占人為排放源的8.1%,NOx約占排放總量的15.2%[1]。針對以上情況,國際海事組織加強了國際船東和船企的碳排放要求,提出了航運業發展的碳減排時間表和路線圖。如果繼續在海上船舶中使用不可再生能源作為動力來源,全球生態環境將面臨更嚴重的惡化。國際海事組織(IMO)在2018年通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰略》,提出了逐步引入氫、氨等零碳燃料技術的中長期目標,旨在推動航運業實現零碳排放[3-6]。

韓國大宇造船、三星重工、現代重工三大船企早在2010年起便在船用綠色動力方面展開布局,并已在LNG動力供氣系統形成專利布局體系,對我國LNG動力船舶產業構成現實威脅。在“雙碳”目標背景下,氨作為一種“無碳新能源”再次引起廣泛關注,在電力、交通等領域的脫碳提供新的選擇[7-8]。氨燃料為富氫燃料,在能量密度、儲存方面較氫燃料有明顯優勢[9-10],隨著氨燃料船型開發、氨燃料主機研發等項目的推進,氨燃料動力船有望在2024年實現初步的商業化[11-13]。當前,在低碳/零碳燃料領域,韓國船企也開始圍繞氨供應系統紛紛展開布局,本文對韓國大宇造船、三星重工、現代重工三大船企的氨燃料供應系統專利布局現狀展開分析,以期為我國船舶氨燃料供應系統的技術研發和專利布局提供參考,并針對現有的專利布局體系提出應對策略。

1 資料與方法

本文使用的數據檢索系統為韓國知識產權局下屬韓國工業產權信息服務中心提供的專利數據庫,首先以“氨”、“供應系統”為關鍵詞進行檢索,并根據“三星重工”、“現代重工”、“大宇造船”三個申請人分別進行二次檢索。檢索截止日期為2022年10月25日。對檢索到的專利進行篩選,確保專利為氨燃料供應系統相關專利。

2 韓國氨燃料供應系統專利總體情況

韓國三大船企目前共申請氨燃料供應系統相關專利54項,各船企專利數量及技術方案概況如表1所示。

表1 韓國三大船企氨燃料供應系統專利數量及技術方案概況

2.1 現代重工專利分析

現代重工圍繞氨燃料供應系統共申請5件專利,主要圍繞一種核心技術方案形成專利組合,核心技術方案如圖1所示。該技術方案主要包括供應單元、重整單元、尿素溶液單元、渦輪增壓單元等部分,除可實現液貨艙燃料升溫升壓后以氣體形式供應主機的主流程外,還可實現氨重整制氫、制尿素溶液并對尾氣脫硝、主機渦輪增壓等其他流程。

圖1 現代重工核心技術方案

現代重工在其核心方案的專利布局中,分別針對氨燃料供應、渦輪增壓、多燃料供應、控制系統等不同方面展開專利申請,構建壁壘式防御型專利布局體系,如圖2所示。

2.2 三星重工專利分析

三星重工(SHI)專利布局針對燃燒裝置前端的氨燃料供應系統和后端的尾氣處理系統兩方面展開。在氨燃料供應系統方面,共布局10項專利,如圖3所示。此外,其在尾氣處理系統方面布局4項專利,內容主要圍繞尿素儲存形式(固態尿素儲存、尿素水溶液儲存)、尿素供應液氨去主機、尿素供應氨氣去SCR反應器等展開。

氨燃料供應系統專利1中,儲罐中的液氨經低壓泵、高壓泵加壓,加熱器升溫后進入燃燒裝置中燃燒;BOG經壓縮機加壓,冷卻器降溫液化后,一部分進入液氨供應管同液氨混合后供往燃燒裝置,一部分經節流降溫后返回儲罐中,當燃燒裝置停機時,BOG液化后僅返回儲罐中,此時惰化單元吹掃惰性氣體,將供應管路中的氨燃料吹掃至停機緩沖罐內儲存。在專利1的基礎上,氨燃料供應系統主要圍繞儲罐BOG氣體處理方式(路徑1→2→3)、停機時緩沖罐50中氨燃料利用方式(路徑1→4、1→7、1→9)及改進流程(路徑4→5→6、7→8、9→10)進行布局,各路徑具體內容如表 2所示。

表2 三星重工燃料供應系統專利布局路徑具體內容

2.3 大宇造船專利分析

大宇造船(DSME)采取“基本設計方案+詳細設計方案+性能改進方案”的布局策略,其技術路線如圖4所示?；驹O計方案主要為氨+任意燃料供應,并提到了加熱器(氨加熱)以及尾氣處理技術(SCR),系統可根據處理后氣體中NOx濃度調節進入SCR反應器中的NH3流量,還可以根據航行區域調節氨和含碳燃料的燃燒比例,確保排放氣體中的CO2含量滿足相應要求。

性能改進方案為氨制氫輔助燃燒,用于改善氨燃料的燃燒。燃料儲罐中的氨一部分進入氨分解裝置中,利用壓載水處理裝置的交流電源對氨分解,分解得到的氫氣在混合單元中同另外的氨氣混合進入發動機中燃燒,利用氫氣的燃燒速度快且反應性高來提高氨燃料的燃燒效率,從而減少發動機排氣中的未燃燒氨。

詳細設計方案為大宇造船專利布局重點,主要包括液氨同其他燃料的混合供應、液氨供應及制氫、液氨供應及BOG再液化?！鞍?LNG+油”多燃料供應專利中,三種燃料可單獨或混合供應往主機和輔機,LNG儲罐中的BOG可經壓縮機加壓、換熱器冷卻后進入到輔機進行發電。液氨儲罐中的氨氣則可利用LNG供應時的冷能得到液化后返回到液氨儲罐中?！耙喊惫c制氫”專利中,氨燃料經升壓升溫后可供往主機燃燒,主機燃燒后的回流液進入氣液分離罐中,液相返回高壓泵入口前回用,高壓氣相可利用儲罐BOG冷能液化后返回儲罐中。此外,氣液分離罐、壓縮機后緩沖罐中的氣體和儲罐中的BOG也可進入重整器中分解為H2和N2,分離得到的H2可用于燃料電池,N2用于惰性系統或排放。

液氨供應及BOG再液化為大宇造船保護的重點方案,共布局10項專利,如圖 5所示,其針對氨燃料供應、BOG再液化兩個方面的工藝改進展開了具體布局。氨燃料供應中供應流體和主機回流流體共用一個緩沖罐,回流流體中的液體可直接回用,緩沖罐內的氣體和BOG可經自冷器實現液化,液化后的流體返回到儲罐中。

大宇造船液氨供應及BOG再液化專利布局則在基礎的氨燃料供應系統上,增加了自冷器,可憑借氨氣化時自身產生的冷能實現BOG液化。之后在氨燃料供應和BOG再液化兩個方面分別了工藝改進,在氨燃料供應上增加了緩沖罐和后加熱器,在BOG再液化上增加了回熱器,并對回熱器的位置進行了調整,其專利布局方式如圖5所示。

3 我國氨燃料供應系統專利應對策略

韓國三大船企氨燃料供應系統專利申請開展較早,目前已形成了相對完善的布局策略及布局體系,其以氨燃料供應為基礎,向BOG處理、尾氣脫硝處理、提高燃燒效率、多燃料供應等方面展開拓展,并通過“A+B+C”方式對創新點進行排列組合展開了“堡壘式”專利布局。為避免韓國氨燃料供應系統專利布局對我國氨動力船舶產業構成現實威脅,本節提出我國氨燃料供應系統專利布局應對策略。

3.1 拓寬供應系統專利布局范圍,實現氨燃料供應系統輔助單元全覆蓋

氨燃料供應系統除基本的供應功能外,還包括BOG處理單元、尾氣處理單元、惰性氣體吹掃單元等輔助單元,且每個輔助單元可采用不同技術得到實現,如BOG處理單元可通過再液化、輔助燃燒、水吸收等技術,尾氣處理單元可通過氨氣、氨水或尿素進行NOx還原。通過對不同單元、不同技術采用“A+B+C”排列組合式布局,拓寬供應系統專利布局范圍,實現氨燃料供應系統輔助單元全覆蓋。

3.2 拓展氨燃料使用場景,實現船舶應用全覆蓋

目前氨燃料供應系統專利申請主要圍繞主機燃料供應展開,對氨燃料的使用場景相對局限。未來專利布局可對其使用場景進一步拓展,如通過與柴油、甲醇、天然氣、氫氣等其他燃料混合燃燒拓展氨燃料應用端到輔機、鍋爐等其他使用場景。此外,船舶動力系統呈現多元化的趨勢,燃料電池、混合動力系統在船舶上的應用越來越多,可針對氨燃料電池、氨分解制氫供氫燃料電池中的氨燃料供應及反應工藝展開前瞻性專利布局。氨在船舶中常以低溫狀態儲存,在其使用過程中會釋放大量冷能,還可針對冷能利用開展相應專利布局。在專利布局中,應考慮到氨燃料在船舶應用中的全覆蓋,不局限于作為主機燃料,不斷拓展氨燃料使用場景。

3.3 整合系統工藝,以技術突破打破專利壁壘

目前韓國氨燃料供應系統專利布局圍繞于基本應用層面,在系統穩定性、經濟性上沒有做過多考慮。我國船舶設備企業應不斷挖掘現有方案技術問題,進行技術改進和創新點提煉,從而實現對現有專利壁壘的突破并形成儲備性布局。在系統穩定性提升上,可進行工藝流程優化和控制邏輯優化,形成新工藝和控制方法;在系統經濟性提升上,可對輔助工藝流程進行整合和串聯,在保證功能的前提下減少設備數量或降低系統能耗,如可對儲罐氨氣BOG進行分解產生N2和H2,N2儲存用于系統吹掃,H2用于輔助主機燃燒等。此外,可聯合核心設備廠家,對產業鏈技術進行專利布局,進一步把控市場。

近年來,中國船舶制造業在全球市場上所占比重明顯上升,已成為全球第一造船大國,在核心船舶配套設備上做到自主可控,解決“卡脖子”問題尤為重要。氨燃料作為航運業零碳目標的解決途徑之一,受到了各國生產商的重視,且氨燃料供應系統技術路線相對明確,因此盡快展開專利布局,構建專利壁壘尤為重要。國內相關研發生產企業應密切關注相關專利技術最近進展,及時展開專利分析,進行創新點挖掘并搶占創新制高點,形成“由點到面”的專利布局體系。