紅土鎳礦冶煉技術的全球專利信息分析①

余海軍， 謝英豪， 李愛霞

（1.廣東邦普循環科技有限公司，廣東 佛山 528137； 2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410082； 3.廣東省電池循環利用企業重點實驗室，廣東 佛山 528137； 4.湖南邦普循環科技有限公司，湖南 長沙 410600）

目前世界上開采的鎳礦主要有硫化鎳礦和紅土鎳礦。 硫化鎳礦主要分布在俄羅斯、加拿大、南非、坦桑尼亞等高緯度地區，近年來面臨資源貧化的問題；紅土鎳礦占世界鎳資源的60%，主要分布在印尼、菲律賓、古巴等低緯度地區。 隨著紅土鎳礦冶煉技術逐漸成熟、生產成本不斷下降，由紅土鎳礦生產的鎳金屬產量日益提升［1］。 據統計，近5 年來新開工的鎳礦項目以紅土鎳礦居多，而針對紅土鎳礦技術研究及資源布局的報道卻相對較少。 隨著鎳資源的減少，以及國內對鎳產品消費量的不斷增加，在紅土鎳礦資源上盡早布局并加強冶煉技術研究具有極其重要的意義［2］。

本文主要從專利的視角對紅土鎳礦的冶煉技術進行統計和分析，通過對專利申請趨勢、申請人國別、主要申請人以及專利質量、發展趨勢等多方面的統計和分析，探討紅土鎳礦冶煉技術的發展趨勢。

1 研究方法

專利文獻作為重要的技術信息源，能客觀反映行業面臨的關鍵技術難點、熱點、發展動態和趨勢［3］。本文通過對全球紅土鎳礦冶煉技術專利分析，為我國企業在鎳資源發展戰略布局方面提供參考。

人們對紅土鎳礦的冶煉技術研究較早，本文使用智慧芽專利數據庫作為數據源，僅對近20 年的紅土鎳礦冶煉技術相關專利進行檢索，研究最新技術及資源布局情況。 使用如下檢索式：（TA：（紅土鎳礦） OR TA：（氧化鎳礦） OR TA：（紅土礦） OR TA：（laterite nickel ore） OR TA：（Nickel oxide ore） OR TA：（lateritic ore）） AND （APD：［20020101 TO 20210625］），進行數據整理和分類收集，最終在126個國家和地區中，搜索出2 894件專利申請，檢索日期為2002 年1 月1 日至2021 年6 月25 日，由于專利公開的滯后性，2020 年之后的專利數量僅供分析參考。

采用專利統計學和計量學的方法，對專利申請的數量、區域、類型以及申請人和技術領域等字段進行分析，研究紅土鎳礦冶煉技術的創新發展趨勢。

2 專利分析

2.1 專利申請趨勢分析

圖1 為近20 年紅土鎳礦相關專利申請量。 從圖1可以看出，紅土鎳礦專利申請量經歷了2個階段的顯著加速，第1 階段為2002 ～2009 年，此時，人們開始對紅土鎳礦開采及冶煉技術進行研究，雖然專利申請每年都有所增加，但增速并不高；2009～2010 年出現了下降趨勢，可能迫于節能減排及環境保護帶來的壓力，小高爐鎳鐵工藝普遍被淘汰［4］。 第2 階段為2011 ～2017 年，此階段紅土鎳礦專利申請量急速增加，7 年專利申請量之和占近20 年專利申請總量的55.25%，究其原因，一方面可能是由于供給結構出現了巨大變化，2010 年之前全球鎳資源供應以硫化鎳礦為主，但隨著硫化鎳礦資源日益匱乏，以及不銹鋼等合金生產需要大量鎳，人們發現并大量開采紅土鎳礦，研究重點轉向紅土鎳礦［5］；另一方面，近20 年里，全球范圍內并沒有新發現大型硫化鎳礦，同時不少硫化鎳礦山由于資源枯竭而關閉，紅土鎳礦成為鎳供應的主要來源，紅土鎳礦產鎳的占比已超過了硫化鎳礦［6］。 在20 世紀50 年代，從紅土鎳礦中提取的鎳金屬量不到世界總鎳量的10%，而到2010 年，比例超過了45%，2015 年，比例超過50%，紅土鎳礦超越硫化鎳礦，正式成為鎳供應的主流資源，且呈不斷上升趨勢，這與紅土鎳礦專利申請量的發展趨勢一致［7］。

圖1 全球紅土鎳礦專利申請量

2018～2019 年專利申請量出現了下降，一方面，紅土鎳礦開采陣地轉移至印尼，僅我國在2018 ～2019 年的2個年度里就暫停了菲律賓鎳品位1.5%以下的鎳礦進口，且全面暫停了對危地馬拉紅土鎳礦的進口；另一方面，鎳礦出口配額到期，審批趨嚴，一些冶煉項目建設進度不達標的礦企配額縮水或新配額的批準一再延后［8］。

受到新冠肺炎疫情的影響，僅2020 年1 ～6 月全球就有275 座礦山停產。 然而，國內企業在早幾年間就已布局紅土鎳礦資源，尤其是新能源汽車動力電池產業鏈相關企業，如：格林美/邦普循環/新展國際/阪和興業投建7 億美元的紅土鎳礦項目；華友鈷業/青創國際/IMIP 投建12.8 億美元的紅土鎳礦項目；住友金屬18.5 億美元建設的鎳礦石冶煉廠等。 同時，盛屯礦業在印尼建設的3.4 萬噸高冰鎳項目于2020 年9 月投產；青島中程在印尼蘇拉威西省持有Madani 鎳礦約2 014 公頃、BMU 鎳礦約1 963 公頃的探礦權與采礦權，并計劃近期建設冶煉廠［9］。

根據國內外各大機構預測，全球在2025 年因電動汽車而產生的鎳需求約50 萬噸，而礦業巨頭嘉能可公司更是預計到2030 年電池汽車鎳需求量將達到110萬噸［6］。 隨著新能源汽車行業的迅速發展、紅土鎳礦項目的不斷建設、新冠肺炎疫情得到控制，紅土鎳礦開采及相關研究可能會再次加速。

2.2 申請人國別分析

圖2 為紅土鎳礦相關專利各國占比，圖3 為申請量前5 位的國家歷年來專利申請數量。 從圖2 和圖3可以看出，在近20 年里，中國在紅土鎳礦領域申請的專利最多，占全球總量的48%。 由于我國沒有紅土鎳礦資源，2005 年之前，我國紅土鎳礦領域申請專利數量寥寥無幾，自2005 年開始，中國企業先后進入緬甸、菲律賓、印尼以及巴布亞新幾內亞等國家，開始紅土鎳礦投資項目的建設。 在投資企業性質上，既有大型國有企業，如金川集團、中鋼集團、中國有色集團等；也有以青山鋼鐵等為代表的一大批民營企業；同時，一些地勘單位也參與其中。 因此，2005 年之后，中國的紅土鎳礦領域專利逐步增多，到2010 年實現顯著性增長［10］。

圖2 紅土鎳礦相關專利申請人國別占比

圖3 全球紅土鎳礦專利申請量前5 位的國家歷年專利申請數量

紅土鎳礦領域申請專利數量排第2 的是日本，占全球總量的25%，尤其是2015 年，達到了171件，而后是澳大利亞（占8%）、美國（占7%）和巴西（2%）。

從時間維度來看，2010 年是我國紅土鎳礦發展的一個拐點，可能與我國鎳鐵冶煉技術的發展相關，2010年之前國內高爐冶煉鎳鐵比較盛行，但隨著鎳資源市場巨幅波動，以及環保因素、淘汰落后產能等原因，高爐冶煉鎳鐵方法逐步被抑制。 2010 年之后，礦熱爐冶煉鎳鐵方法逐步得到發展，尤其是近幾年RKEF 法逐步得到推廣，礦熱爐功率也越來越大，逐步形成了眾多33 MVA、36 MVA、48 MVA、63 MVA 甚至更高功率的礦熱爐生產鎳鐵廠家，同時，隨著濕法冶煉技術的不斷成熟與發展，在紅土鎳礦冶煉技術和裝備水平上都得到了長足發展［11］。

2.3 主要申請人分析

本文主要分析了專利申請數量前5 位的申請人，依次為：日本住友金屬鉱山株式會社（以下簡稱“日本住友”）、江蘇省冶金設計院有限公司（以下簡稱“江蘇冶金設計院”）、澳大利亞BHP 比利通SSM 開發有限公司（以下簡稱“BHP”）、巴西淡水河谷公司（以下簡稱“淡水河谷”）以及中國恩菲工程技術有限公司（以下簡稱“中國恩菲”）。 主要申請人情況見表1，主要申請人歷年專利申請數量見圖4。

由表1可見，日本住友擁有專利數量最多；申請數量排名前5 位的申請人中，有2個是中國申請人，然而，其總量仍然不能與日本住友相抗衡。 在專利布局上，日本住友、BHP、淡水河谷在多個國家和地區均有布局，而國內的申請人在國外僅有少量布局。 自1970年起日本就開始與菲律賓合作，成立合資礦業公司開采含鎳2%以上的高品位鎳礦，運送回新日鐵和住友商社進行冶煉，導致菲律賓高品位鎳礦砂被日本企業壟斷，而我國只能進口鎳含量0.9%～1.1%的低品位鎳礦砂［10］。

表1 專利申請數量前5 位的申請人專利情況/件數

由圖4可見，日本住友、BHP、淡水河谷專利布局的時間均早于江蘇冶金設計院和中國恩菲；且江蘇冶金設計院的專利申請中包括52件實用新型專利，而國外3 家公司全部為發明專利。 就發明專利數量來說，前3名均為外國申請人，國內申請人的發明專利數量更是難以與日本住友相比。

圖4 主要申請人歷年專利申請數量

2.4 專利質量分析

專利的質量主要表現在同族專利數量和權利要求的數量上。

2.4.1 專利族群分析

主要專利族群的申請人分布見圖5。 全球范圍內專利族群規模越大，說明其在全球保護范圍越廣。 本文通過逆向篩選出族群最大的前100件專利，并采用PatSnap 同族去重，使用一個專利代表，即從100個專利族中對專利的申請人進行分類。

圖5 主要專利族群的申請人分布

專利族群最多的是日本，申請人均為日本住友，在前100名專利族群中，該申請人占有53個族群，數量最多，保護范圍最廣。 而國內僅有2件專利進入前100名，大量的專利未形成專利族群。

2.4.2 權利要求數量分析

權利要求是專利保護范圍的體現，即一項權利要求保護范圍有多寬、多廣；而一件專利中權利要求數量的多少，則更多的是對專利的保護范圍進行強化，是申請人進行策略性布局的體現。 專利權利要求數量越多，則其涉及的技術范圍更廣，說明保護的內容越多，一定意義上專利的質量可能更高［12］。 本文通過逆向篩選出權利要求數量前100 的專利，并對專利的申請人進行分類。

權利要求數量較多的專利申請人分布見圖6。 由圖6可知，澳大利亞權利要求數量最多，共有34件專利申請，其次是南非和加拿大。 中國申請人僅有3件專利的權利要求數量列入前100名。

圖6 權利要求數量較多的專利申請人分布

2.5 技術發展趨勢分析

2.5.1 被引用數量分析

從被引用數量來進行分析，可以識別哪些專利已廣泛應用并且被大量借鑒，這些專利更具影響力并代表著該技術領域的核心創新技術。

紅土鎳礦冶煉技術分為濕法冶煉和火法冶煉，濕法工藝主要包括還原焙燒氨浸工藝、高壓酸浸工藝2種［13］。 火法工藝種類較多，包括鎳锍工藝、RKEF 工藝、燒結-高爐還原熔煉工藝、直接還原工藝、轉底爐-熔分爐雙聯工藝［14］等。

通過檢索分析，篩選出被引用專利數量大于等于10 次的專利，共計151件。 此151件專利中濕法冶煉78件、火法冶煉51件、濕法和火法相結合9件、其余為選礦技術，分別占比為51.66%、33.77%、5.96%、8.61%。

被引用數量排名前10 的專利見表2。 由表2可知，被引用數量最多的是公開號為JP2005350766A、日本住友的“氧化鎳礦的濕法冶煉方法”，共被引用429次。 被引用數量排名前10 的專利中僅有4件專利涉及火法冶煉技術，且均為中國專利。

表2 被引用數量前10 的專利情況

2.5.2 技術分支申請趨勢分析

為進一步探索紅土鎳礦冶煉技術的發展趨勢，對檢索到的專利進行人工標引，專利的技術分支隨時間變化的趨勢見圖7。 由圖7可見，濕法冶煉的專利申請數量始終高于火法冶煉，然而在2015 ～2017 年內火法工藝的增長速率高于濕法工藝，可能是期間市場對鎳鐵需求量提升所致。

圖7 歷年技術分支專利申請數量

濕法工藝一直以來都是人們研究和關注的重點，其研究熱度一直居高不下。 火法工藝因冶煉過程能耗高、成本高以及收率低、對鎳礦品位有要求等原因，主要用于處理高品位紅土鎳礦；而濕法工藝雖然工藝復雜、流程長、對設備要求高，但它與火法相比，具有能耗低、金屬回收率高等優勢［15－16］。 在貫徹碳達峰、碳中和戰略背景下，生態優先、綠色低碳的高質量發展道路是我國未來發展的必由之路，未來紅土鎳礦的濕法冶煉技術可能是各鎳生產廠商重點關注的方向。

2.6 紅土鎳礦專利未來區域布局分析

據美國地質調查局數據，2020 年全球鎳礦產量為250 萬鎳金屬噸，其中印尼和菲律賓兩國產量分別為76 萬鎳金屬噸和32 萬鎳金屬噸，占據全球產量的43%。

印尼目前擁有29 座中外鎳冶煉廠，其中蘇拉威西19 座、北馬魯古8 座、爪哇2 座。 據印尼能源和礦產資源部礦產和煤炭總干事里德萬·賈馬魯丁表示，在2020 年，印尼的鎳鐵、鎳生鐵（NPI）和磨砂鎳產品形式的鎳加工和精煉產量已超過目標。 印尼2020 年鎳鐵產量達到146 萬噸，首次超過中國，NPI 達到86.05 萬噸，高冰鎳達到9.17 萬噸。 NPI 產品的鎳產量從2019年的78.1 萬噸增長了10.18%，高冰鎳從2019 年的7.2萬噸增長了27.36%，鎳鐵產量比2019 年增長了27%。中國相關企業運用自有資金、技術和管理在印尼開采紅土鎳礦、建設冶煉廠，使印尼躋身世界鎳產業大國行列。 表3 為中國前往印尼布局鎳資源的新能源企業。隨著中國企業在印尼建設的紅土鎳礦項目逐步完成及相關冶煉技術的布局完善，未來幾年內，印尼紅土鎳礦領域的專利申請數量可能呈現極速增長。

表3 布局印尼鎳資源的中國企業

3 結 論

3.1 結合實際工藝，增加專利申請

紅土鎳礦分布在多個國家和地區，且冶煉工藝種類多樣，不同工藝得到不同產品。 國內企業在紅土鎳礦冶煉方面的國外專利布局較為薄弱，應重點布局紅土鎳礦產業所在地區的專利，并布局未來可能的鎳資源地區。 隨著國內格林美、邦普、華友等新能源動力電池上游資源廠商在印度尼西亞的鎳礦產業項目不斷建設完成，紅土鎳礦的冶煉研究也將不斷取得進展，隨之而來的專利申請數量必然逐步增加。 由于各紅土鎳礦項目建設地多處于印度尼西亞，未來專利申請的受理可能會以印尼為主。 同時，申請專利時，應加強重點專利布局，提升專利家族數量，并提升專利申請的質量，只有這樣才能在紅土鎳礦冶煉技術上立足。

3.2 提升關鍵技術，注重節能環保

眾所周知，紅土鎳礦的火法工藝產品能耗高，濕法工藝污水處理難。 無論是在國外的鎳礦冶煉，還是國內的中間品提煉，都要努力做到節能降耗、綠色環保。尤其是“十四五”期間，碳達峰、碳中和行動正在推進，國內企業需加大技術研發力量，進一步開發新工藝、新技術，最大程度地產出創新成果，提升關鍵技術水平，實現提高生產效率、降低能耗與減少污染的共贏局面。