全球煤炭地下氣化發展態勢及展望
——基于專利分析

■ 陳新軍/劉曾勤/陳 剛/趙石虎

（1.頁巖油氣富集機理與高效開發全國重點實驗室，北京 102206；2.中國石化頁巖油氣勘探開發重點實驗室，北京 102206；3.中國石化石油勘探開發研究院，北京 102206）

0 引言

隨著低碳、潔凈能源發展和雙碳目標的提出，煤炭清潔高效利用已是大勢所趨，其中煤炭地下氣化技術因其具有良好的經濟效益和環境效益而成為潔凈煤技術重要研究和發展方向。煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification，簡稱UCG）是將含煤地層中的煤炭在地下原位通過可控性燃燒的工程工藝技術，在煤的熱作用和化學作用下產生CH4、H2、CO等可燃合成氣的過程。煤炭地下氣化是高碳資源低碳開發利用的重要手段，是拓展天然氣資源實現戰略資源接替的有效方法，是推進能源安全多元化的潛在關鍵途徑之一[1]。煤炭地下氣化是一項復雜系統工程，涉及煤炭地質、地球物理探測、采礦工程、能源化學、工程熱物理、能源利用、環境保護等多個學科，包含地質綜合評價，建模與數模，鉆完井工程，地面集輸，儀器儀表監測，化工合成，碳捕獲、利用與封存（CCUS）等多個專業領域。鄒才能將UCG全流程細化總結為6大階段（選址、建爐、運行、控制、地面和利用）、8大系列、27項主要技術（圖2、圖3、圖4、圖5）[2]。加拿大UCG專家Wiatowski等將UCG工藝技術歸納為礦井式和鉆井式2類。鉆井式UCG依托地面鉆井，爐體建造、運行操作都在地面完成，不存在人員下井問題，為此成為UCG目前的主流技術[3-4]。我國新奧公司通過內蒙古烏蘭察布鉆井式項目完善了UCG基本流程，包括氣化生產、地面技術和綜合利用3大板塊[5]。近年來，UCG技術逐漸成熟，因該技術具有安全性好、投資少、效益高、污染少等技術優勢[6]，已被列入國家《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》。

煤炭地下氣化設想最早由俄國化學家門捷列夫于1888年提出。經過上百年研究，UCG原理基本清楚，世界各主要工業國家在工程設計及現場試驗方面不斷創新，申請了大量專利，發表了諸多專著和文獻，尤其是近20年來大量經典文獻和專著不斷涌現，國外學者如Shafirovich、Bhutto、Khan、Cliff、Perkins、Linderman等，國內出版專著的學者有楊蘭和、梁杰、萬志軍、馬曉光、劉建明、傅振斌、柳吉祥等，此外還有大量的期刊文獻和學位論文[7-13]。同時，該領域每年還有大量的專利申請提交。本文擬從煤炭地下氣化產業專利及相關知識產權現狀和布局的角度，簡析國內外煤炭地下氣化領域技術現狀和發展趨勢，以期能為我國煤炭地下氣化產業專利戰略布局與展望提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 檢索數據庫

本文采用的是合享（Incopat）全球專利數據庫商業專利檢索系統，它收錄了全球120個國家/組織/地區超過1億余件專利信息，數據采購自各國知識產權官方和商業機構。該數據庫全球專利信息每周更新4次，更新速度迅速及時，主要包括發明專利、實用新型專利，以簡單同族為基礎，每個維度都有不同的計算標準和權重。

1.2 檢索方式

本文的檢索主題是UCG技術，檢索日期截至2022年底。檢索方式由初步檢索、全面檢索、補充檢索三個階段構成，中文數據庫和外文數據庫同時進行檢索，以避免數據遺漏。

初步檢索階段：初步選擇關鍵詞和分類號對UCG技術主題進行檢索，隨后對檢索到的專利文獻關鍵詞和分類號進行統計分析提煉，構建煤炭地下氣化專利檢索要素表。

全面檢索階段：選定精確和擴展關鍵詞，將精確和擴展分類號作為主要檢索要素，合理采用檢索策略及其搭配，充分利用截詞符和算符，同時利用不同數據庫的優勢進行適時轉庫檢索，在外文和中文數據庫對該技術主題進行全面而準確的檢索。

補充檢索階段：在全面檢索的基礎上，統計主要申請人，再以重點申請人為入口進行補充檢索，籍此保證重要申請人檢索數據的全面性和完整性。

1.3 檢索結果及處理

專利檢索完成后，依據專利技術分解的內容及后續專利分析的需要對檢索得到的專利結果加工整理，形成專利分析樣本數據庫。本文查全了全球1831個專利族的簡單同族，共3854件，涉及1836項專利，其中，中國專利文獻728件，非中國專利文獻1036件。通過人工閱讀去噪后得到有效數據1328項，并對數據開展了查全率和查準率驗證和人工標引分析。

2 全球煤炭地下氣化技術專利態勢

2.1 專利申請趨勢

數據分析表明，全球煤炭地下氣化專利申請經歷了起步期、猛增期、平緩上升期和爆發期4個階段。起步期為1930—1975年，這一階段自第一件專利申請開始，在隨后的40多年中，每年都有為數不多的專利申請；猛增期為1976—1996年，這一階段專利申請量突然猛增，年均申請量超過40件，1976年最高，達到70件，此后年均專利申請量略有下降，但數量仍相對較多；平緩上升期為1997—2010年，這一階段專利申請量相對穩定且緩慢上升；爆發期為2011年以來，這一階段隨著鉆井式UCG的發展，相關專利申請量開始大幅攀升，UCG進入快速增長的階段（圖1）。

圖1 煤炭地下氣化專利申請態勢

2.2 專利技術構成

煤炭地下氣化全產業鏈包含非常廣泛，按氣化類型劃分，可分為燃燒、加熱、微生物、電化學等幾個主要技術分支；按結構設計與施工劃分，可分為輸送注入裝置（包括鉆孔）、氣化爐的設計、井的設計、噴射裝置（噴嘴或噴頭）、點火裝置及方法、室內/地面模擬及其他裝置（或小部件）等幾個主要技術分支；按工藝方法劃分，可分為氣化工藝（或系統）、監測與控制、氣化劑（或氧化劑）、環境防護（或恢復）、熄爐（或滅爐）等幾個主要技術分支；按綜合利用劃分，可分為發電、二氧化碳利用兩個主要技術分支；按特殊產物類型可分為氫氣、甲烷和其他主要的技術分支。統計表明，UCG氣化類型主要為燃燒工藝，專利申請占比超過70%，而加熱、微生物、電化學、微波/磁場等其他技術分支占比極少，其余是一些設備類申請。按結構設計與施工劃分，專利申請占比較多的前2類分別是鉆井輸入和氣化爐設計，超過了10%，井的設計和點火次之，占比超過5%，而噴嘴、模擬設備專利申請占比較少。按工藝方法劃分，氣化工藝專利申請占比較多，超過了40%，其次是監測與控制類方法，占比在8%多，其他類型涉及較少。綜合利用類專利申請較少，其中發電類30件，CO2類12件（圖2）。

圖2 煤炭地下氣化專利技術分布

2.3 專利布局的主要國家/地區

煤炭地下氣化專利申請量排名前十的申請人國別分別是中國（794件）、美國（222件）、蘇聯（137件）、澳大利亞（108件）、德國（104件）、俄羅斯（89件）、比利時（75件）、荷蘭（53件）、烏克蘭（51件）和英國（26件）。煤炭地下氣化專利公開排名前十國別分別是中國（727件）、美國（170件）、俄羅斯（113件）、蘇聯（81件）、德國（71件）、澳大利亞（70件）、英國（50件）、烏克蘭（49件）、南非（47件）、加拿大（41件）（圖3）。上述這些國家是UCG技術領域專利申請的主要目標國，中國、美國、俄羅斯3個國家的專利申請量之和超過全球專利申請總量的70%。

圖3 煤炭地下氣化專利技術申請人國別-專利公開國別對比

通過專利申請國別-專利公開國別對比分析發現，各個國家的專利申請人的布局重點仍在本國。但美國和澳大利亞的專利申請人比較注重國際布局，在超過20個國家和地區進行了專利布局，LINC ENERGY LTD、殼牌公司、Vnii Ispolzovania，這3家企業傾向于全球專利布局，其在9個以上的國家/地區布局。我國的專利申請人國際視野不夠開闊，在全球專利申請數量第一的前提下，只在10個國家和地區進行了專利布局。

2.4 專利主要申請人分析

按項統計，煤炭地下氣化全球專利申請人排名前十位中，中國申請人占據8席，排名前三的分別是新奧集團（175件）、新疆國利衡（75件）、中國礦業大學（73件）（圖4）。國外申請人僅有來自澳大利亞的LINC ENERGY LTD、德國的Wenzel Werner進入了前十位。

圖4 排名全球前十位煤炭地下氣化專利申請人

2.4.1 新奧集團

新奧集團成立于1989年，2006年新奧集團組建了新奧氣化采煤有限公司，并與中國礦業大學(北京)簽訂了戰略合作協議，共同開展UCG技術的研究與應用，并在內蒙古自治區烏蘭察布市選點開展“鉆井式UCG技術”試驗研究[5]。新奧集團從2005年開始在UCG領域布局專利，涉及UCG的專利申請量超200件。除2006年外，此后每年均有大量專利申請，并于2013—2015年達到峰值，這3年的專利申請量超過了150件，占申請總量的近80%，但在2017年后未有該領域的專利申請。這與新奧集團在內蒙古烏蘭察布現場UCG試驗密切相關。新奧集團的UCG專利申請主要側重于結構設計和工藝方法類，綜合利用類極少，未涉及選址評價類。其中，氣化爐設計、鉆孔輸入、噴嘴噴頭、其他裝置或小部件和系統監測與控制是新奧集團專利布局的主要方向，在2007—2016年的10年間均有持續布局，且申請量呈現明顯的上升趨勢。

新奧集團在UCG技術領域的專利功效均衡，經濟性、高效、穩定/連續是關鍵的3個方面，此外還涉及安全、耐用、產物品質、監測精準、環保、點火效率等多方面的功效。新奧集團的專利布局盡管以國內為主，但也屬于在全球布局較多的公司，在世界知識產權組織、歐洲專利局、美國、南非、印度、澳大利亞等7個國家/國際組織開展了專利布局。從被引證次數和同族數量雙維度篩選，新奧集團的重點專利都體現在工藝結構設計方向，其中比較重要的專利是在保護氣化爐構建結構的同時還保護煤炭地下氣化的工藝方法，并在不同工藝應用場景中進行了擴展，該專利在全球重點地區進行了廣泛布局。

2.4.2 新疆國利衡

新疆國利衡清潔能源科技有限公司成立于2014年9月，主要聚焦深層UCG技術及產品的研發、生產和銷售。2015年，新疆國利衡清潔能源科技有限公司與中國礦業大學（北京）合作，在新疆維吾爾自治區鄯善縣沙爾湖建設UCG前置工程，該項目于2018年8月點火并穩定運行350天，項目評估認為，試驗項目可以轉為產業化推廣。

新疆國利衡在UCG領域布局專利申請始于2016年，專利申請量近90件，除2017年集中申請了67件外，其他年份申請量不多，但近3年仍有持續的申請。新疆國利衡的專利側重于結構設計類，專利布局的重點是氣化爐設計、鉆孔輸入。專利功效較為均衡，主要集中于穩定連續運行、安全、經濟性、高效、靈活可控5個方面，少量涉及點火效率、環保、耐用等方面，新疆國利衡的專利僅在國內進行布局。

2.4.3 中國礦業大學

中國礦業大學涉及UCG的專利有90多件，自2001年開始申請，后續多年一直斷續申請，于2020年達到峰值17件，且最近幾年的申請量較多（圖5）。中國礦業大學的專利主要側重于工藝方法和結構設計，還涉及綜合利用和選址評價。值得一提的是，從2013年開始，中國礦業大學對氣化模擬平臺及試驗方法進行了重點布局。之所以出現這種研究趨勢，是因為隨著鉆井式UCG技術的發展，越來越多的新氣化方法與裝置被提出，此時，模擬試驗的研究就顯得格外重要。中國礦業大學申請的專利功效較為均衡，經濟性、安全、穩定/連續、高效、模擬精準、環保是關鍵的6個方面，而對產物品質、監測、耐用功效的申請量較少，專利布局以國內為主，僅在澳大利亞和加拿大開展了專利申請布局。

圖5 中國礦業大學UCG專利申請情況

2.4.4 澳大利亞Linc Energy Ltd

澳大利亞Linc Energy Ltd成立于1996年，是一家專門從事基于煤炭的合成燃料生產和常規石油、天然氣生產的能源公司，業務涉及地下煤氣化專有技術的開發和商業化。Linc Energy Ltd涉及UCG領域的專利近90件，自2012年開始申請，并在當年就申請近50件，這一數量超過了該公司專利申請總量的50%，此后幾年仍有持續布局，2017年后停止了該領域的專利申請。其專利主要側重于氣化方法和結構設計，較少涉及綜合利用。Linc Energy的專利資料大部分不能閱覽全文，可閱覽全文的專利功效主要涉及經濟性、產物品質、穩定/連續、耐用4個方面。Linc Energy Ltd在UCG技術領域專利布局非常具有戰略眼光，除在本國申請了27件之外，還在世界知識產權組織、非洲區域組合、歐洲專利局等19個國家/組織展開了專利布局。

2.4.5 殼牌公司

殼牌集團公司是世界主要石油公司，其業務遍及全球140個國家/組織，涉及勘探、天然氣、發電、可再生能源等領域。2020年2月，殼牌公司提出了戰略性的“凈零計劃”，即到2050年實現公司凈零排放和由國際石油公司向國際能源公司轉型的目標。殼牌公司涉及UCG的專利申請量為60件，合并同族后為1項專利技術，主要技術方向是加熱處理含烴巖層并生產合成氣體的方法。殼牌公司非常具有全球戰略眼光，這1項專利共在10個國家/組織布局了60件專利申請。

表1 殼牌公司有關UCG專利國際布局情況

3 國內外專利對比分析

3.1 專利增長趨勢對比

國外煤炭地下氣化技術領域的專利申請自20世紀30年代開始，至20世紀70—80年代達到頂峰后回落，到2000年又開始出現新的增長趨勢。中國相關技術專利申請量在20世紀相對較少，增長也很緩慢，直至2005年開始逐年上升，到2013年進入飛速增長階段。

3.2 專利技術構成對比

分析表明，各個國家在關鍵技術分支的專利申請量分布情況并不一致。國外在氣化方法方向均有相當數量的專利申請，我國的專利申請則側重于結構設計、工藝方法類，尤其在鉆孔/輸送/注入裝置/氣化爐的設計、井的設計、點火裝置等方面專利申請量具有明顯優勢。

3.3 專利功效對比

國外申請人的專利技術功效主要集中在高效上，其次是經濟性，同時比較關注穩定運行、環保、靈活可控等幾個方面的技術功效。我國申請人的專利技術功效主要集中于經濟性，高效、安全、穩定運行3個方面較均衡。國外申請人重點關注產物品質和環保，我國申請人對此關注較少。

3.4 國內外專利技術布局對比

國外申請人除了在本國布局專利外，還在世界知識產權組織、歐洲專利局、歐亞專利組織、非洲區域組織有一定的申請量，而我國申請人的專利89.9%布局在國內。這說明我國在煤炭地下氣化技術領域的研究主要還是針對本國資源，體現出我國申請人國際布局意識相對淡薄，仍存在較大地域局限性。另外，從整體來看，國外申請人在我國布局專利數量相對較少，僅占我國煤炭地下氣化技術領域專利申請總量的1.65%。

4 結論與展望

從對全球煤炭地下氣化專利申請數量、申請趨勢、布局地區、主要專利申請人的分析來看，目前煤炭地下氣化產業正處于高速發展階段。自2001年以來，UCG專業領域的專利開始逐年上升，尤其是在2013年以后，UCG技術領域的專利申請量進入快速增長階段。本輪UCG產業的發展主要得益于我國相關技術的快速發展，我國UCG專利申請量從2005年開始逐年上升，從2013年則開始進入飛速增長階段。這主要歸功于新奧集團、新疆國利衡、中國礦業大學、中為能源等企業和科研院所對中深層鉆井式UCG的重視和研發，并取得多項專利和技術成果。

從煤炭地下氣化專利技術分支來看，20世紀70年代是UCG專利集中申請期，專利申請對象是礦井式UCG，專利技術主要集中于氣化工藝/方法/系統領域，只有少量的涉及氣化裝置、設備、氣化劑及環境防護等。隨著UCG由礦井式向鉆井式、由淺層向中深煤層（＞1000m）、由單一發電向綜合利用的趨勢發展，推動了UCG高速發展。這一階段的UCG專利申請不僅體現在氣化工藝/方法/系統領域，還涉及了氣化爐構建技術、深部煤層高壓點火技術、可控移動注入技術、深部火區地球物理探測技術等領域，可以說囊括了整個UCG的全產業鏈，且專利的技術功效主要集中布局于經濟、高效、靈活可控、安全、穩定運行等方面。

總體來說，隨著各類跨學科、跨行業，尤其是石油工程類高精尖技術應用，如鉆井技術的持續進步，以及連續油管、多介質注入工具、點火裝置的開發和應用，現代基于可控后退注入點UCG技術工藝已經基本形成，深層UCG體現了強大的活力和經濟優勢[14-17]。從發展趨勢分析，深層UCG一定可以實現商業化的成功發展，不但能夠在保障環境前提下實現深部煤炭資源的氣化開采，還能最大限度地降低成本，實現氣化產物的清潔高效和綜合利用，為“氫能經濟”時代到來儲備資源和技術，更能為構建“低碳、高效、安全”的現代能源體系開辟新路徑[18-20]。