“雙碳”目標(biāo)下全球鋼鐵資源循環(huán)回收利用技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究

熊書玲，鄭 佳，康 凱，紀(jì)穎茹

（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是中國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1]，也是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要領(lǐng)域，其碳排放占中國總碳排放的13%～15%，大部分來自鋼鐵生產(chǎn)過程中的直接排放[2-3]。再生資源回收利用是實(shí)現(xiàn)碳減排的路徑之一，同時(shí)兼具污染物減排的協(xié)同效益，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要方式[4]。再生資源的回收利用可以有效減少初次生產(chǎn)過程中的碳排放，而鋼鐵等高耗能行業(yè)的產(chǎn)品在可再生領(lǐng)域的潛力最大[5-9]。因此，需要通過加快鋼鐵資源的循環(huán)回收利用等，支撐中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)[10]。當(dāng)前對碳減排的研究熱點(diǎn)主要集中在能源領(lǐng)域[11]，而對鋼鐵等非可再生資源回收利用行業(yè)的碳減排研究有待加強(qiáng)[12-13]。

廢鋼鐵主要包括鋼廠產(chǎn)生的廢鋼鐵、工業(yè)等加工廢鋼鐵和社會折舊廢鋼鐵等。廢鋼鐵煉鋼以“廢鋼鐵—電爐”短流程為主。廢鋼鐵再利用的碳減排量為生產(chǎn)同等回收量的廢鋼鐵所產(chǎn)生的溫室氣體量減去廢鋼鐵回收再生產(chǎn)為粗鋼所排放的溫室氣體量[14-17]。本文通過論文與專利分析，從鋼鐵循環(huán)回收利用（或廢鋼鐵利用）技術(shù)的年度分布趨勢、研發(fā)國家、研究機(jī)構(gòu)、技術(shù)領(lǐng)域、研究人員等多個(gè)維度對廢鋼鐵利用技術(shù)發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行研究，通過國內(nèi)外對比研究，分析基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域的制約因素并提出相關(guān)建議，為推動中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供支撐。

1 檢索策略

廢鋼鐵利用技術(shù)主要是將鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料重新應(yīng)用在煉鐵、煉鋼環(huán)節(jié)中。按照關(guān)鍵詞擴(kuò)展（如廢鋼、生鐵、鋼屑、精煉渣、廢鋼鐵等）和“分類號+關(guān)鍵詞”檢索等方式，結(jié)合比較差異數(shù)據(jù)、檢索詞修正等流程，最終確定廢鋼鐵利用技術(shù)的論文及專利檢索詞庫[18-20]。通過Innography 專利檢索平臺和Web of Science 論文檢索平臺，得到全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)專利與論文數(shù)據(jù)。檢索時(shí)間范圍為2000年1月1日至2022年12月31日，專利檢索為同族擴(kuò)展，論文檢索選擇科學(xué)引文索引（SCIE）和科學(xué)技術(shù)會議錄索引（CPCI-S）。由于專利公開一般會有18 個(gè)月的滯后期，因此2021年和2022年的相關(guān)專利數(shù)據(jù)僅供參考。

2 論文分析

2.1 論文產(chǎn)出年度分布情況

2000—2022年，全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域共收錄SCIE 和CPCI-S 論文12 734 篇。由圖1 可以看出，2000—2010年，相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量較少，每年發(fā)表論文不足300 篇，相關(guān)基礎(chǔ)研究進(jìn)展緩慢。2011年之后，論文發(fā)表數(shù)量整體呈快速增長趨勢，于2021年達(dá)到1 586 篇，近年來相關(guān)基礎(chǔ)研究成果大幅增加。其中，2009年和2011年的論文發(fā)表數(shù)量年增長率排在前兩位，分別達(dá)36.9%和37.9%，這可能與該時(shí)期的論文發(fā)表基數(shù)不高有關(guān)。

圖1 2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)論文年度分布情況

2000—2022年，中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域共收錄SCIE 和CPCI-S 論文3 917 篇。由圖2 可以看出，2000—2010年，相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量呈小幅波動趨勢，每年發(fā)表論文不足100 篇。2011年之后，相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量呈波動式快速增長趨勢，尤其是2016年以后，相關(guān)基礎(chǔ)研究進(jìn)展加快，于2022年達(dá)到663 篇。

圖2 2000—2022年中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)論文年度分布情況

2.2 主要論文發(fā)表國家分布情況

圖3 展示了2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域論文發(fā)表排名前10 位的國家分布情況?？梢钥闯?，中國在廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量大幅領(lǐng)先于其他國家，居世界首位；其次是印度（1 014 篇）、美國（767 篇）、韓國（665 篇）、日本（625 篇）、澳大利亞（592 篇）、英國（533 篇）、土耳其（500 篇）、西班牙（392 篇）、加拿大（391 篇）等。但同時(shí)，澳大利亞和英國的論文篇均被引次數(shù)較高，相關(guān)基礎(chǔ)研究成果的國際影響力較高；其次是加拿大、美國、土耳其和西班牙。中國雖然論文發(fā)表數(shù)量最多，但相關(guān)基礎(chǔ)研究成果的國際影響力偏弱。

圖3 2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域論文發(fā)表排名前10 位的國家

2.3 主要論文發(fā)表機(jī)構(gòu)分布情況

圖4 展示了2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域論文發(fā)表排名前10 位的機(jī)構(gòu)分布情況?？梢钥闯觯袊谋本┛萍即髮W(xué)（468 篇）、東北大學(xué)（344 篇）、重慶大學(xué)（248 篇）等機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文數(shù)量較為領(lǐng)先，創(chuàng)新主體主要是高校、科研院所；其次是埃及知識銀行（245 篇）、武漢理工大學(xué)（230 篇），以及英國研究型圖書館（211 篇）、印度國立技術(shù)研究院（185 篇）、中南大學(xué)（171 篇）、印度理工學(xué)院（156 篇）、東南大學(xué)（139 篇）等。全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的論文發(fā)表機(jī)構(gòu)主要分布在中國，其次是印度。相比較而言，印度理工學(xué)院的論文篇均被引次數(shù)較高，相關(guān)基礎(chǔ)研究成果的國際影響力較高，其次是中國的東南大學(xué)。

圖4 2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域論文發(fā)表排名前10 位的機(jī)構(gòu)

3 專利分析

3.1 專利年度變化趨勢

由圖5 可以看出，2000—2022年，全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請總量為28 176 件，其中授權(quán)專利為18 511 件，授權(quán)比重達(dá)65.7%。2000—2007年，全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請量呈波動式緩慢變化趨勢，相關(guān)應(yīng)用研究進(jìn)展緩慢。2008—2022年，全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請量呈波動式快速增長趨勢，于2020年達(dá)2 331 件。2000—2012年，全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)授權(quán)專利年度變化趨勢整體與申請專利保持一致，但2013年以后，授權(quán)專利與申請專利的數(shù)量差距不斷增大，這可能與專利一般平均有2 ～5年的授權(quán)周期有關(guān)。

圖5 2000—2022年廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利年度變化趨勢

2000—2022年，中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請總量為16 789 件，其中授權(quán)專利為10 103 件，授權(quán)比重達(dá)60.2%。2000—2006年，中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請量呈緩慢增長趨勢。2007—2022年，中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請量整體呈現(xiàn)波動式快速增長趨勢，廢鋼鐵利用技術(shù)步入快速發(fā)展期，2020年中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利申請量達(dá)到1 907 件，占全球該領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?1.8%。中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)申請專利在2000—2009年保持了較高的授權(quán)比例，2009年授權(quán)專利占比高達(dá)93.1%，之后授權(quán)專利與申請專利的數(shù)量差距不斷增大。

3.2 專利技術(shù)來源國

圖6 列出了2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶?0 位的國家。從圖6 可以看出，按照專利申請的數(shù)量，廢鋼鐵利用技術(shù)來源國依次是中國、韓國、日本、美國、德國、俄羅斯、澳大利亞、奧地利、法國、意大利等。其中，中國的專利申請量大幅領(lǐng)先，占全球?qū)＠暾埩康?0%以上，其次是韓國和日本。從專利授權(quán)占比情況可以看出，澳大利亞的專利授權(quán)占比最高，其次是俄羅斯和日本等。

圖6 2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶?0 位的國家

3.3 主要專利權(quán)人

圖7 列出了2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的專利權(quán)人分布情況。從圖7 可以看出，專利申請量在全球排名靠前的主要專利權(quán)人是日本、韓國和德國等國家的企業(yè)，其廢鋼鐵利用技術(shù)研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)。日本杰富意鋼鐵公司和新日本制鐵公司的專利申請量排在前兩位，專利申請量均超過700 件。其次是韓國浦項(xiàng)制鐵集團(tuán)公司，專利申請量超過500 件，德國西馬克·韋斯公司和日本神戶制鋼公司專利申請量超過400 件。圖8 列出了2000—2022年中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的專利權(quán)人分布情況。從圖8 可以看出，中國的鞍鋼集團(tuán)有限公司專利申請量排在首位，其次是寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司、北京科技大學(xué)、攀鋼集團(tuán)有限公司、東北大學(xué)和中南大學(xué)，其專利申請量均超過200 件。

圖7 2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的專利權(quán)人

圖8 2000—2022年中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的專利權(quán)人

3.4 主要專利發(fā)明人

表1 列出了2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠琶?0 位的專利發(fā)明人?？梢钥闯觯瑥U鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域的專利發(fā)明人主要是來自日本的企業(yè)，其次是中國、澳大利亞、德國等國家的企業(yè)。其中，澳大利亞技術(shù)資源私人有限公司的Rodney James Dry 發(fā)明專利最多，其次是北京神霧環(huán)境能源科技集團(tuán)股份有限公司&江蘇省冶金設(shè)計(jì)院有限公司的吳道洪和曹志成，以及西門子奧鋼聯(lián)冶金技術(shù)（奧地利）有限公司的Robert Millner 和德國西馬克·韋斯公司的Johann Reichel。此外，日本神戶制鋼公司、日本川崎制鐵公司、日本杰富意鋼鐵公司和日本電氣化學(xué)工業(yè)公司的幾個(gè)專利發(fā)明人累計(jì)擁有超400 件專利。

表1 2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的專利發(fā)明人

3.5 主要專利技術(shù)領(lǐng)域

表2 列出了2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠琶?0 位的國際專利分類號（IPC）分布情況?？梢钥闯觯瑥U鋼鐵利用技術(shù)相關(guān)專利主要分布在IPC 為C04B 28/00 和C21C 5/00 的技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)專利申請量均超過3 000 件，涵蓋多元羧酸鹽水泥、碳鋼冶煉等研究方向。其次是IPC 分類號為C22C 38/00、C04B 18/00、C21C 7/00、C22B 1/00、C21B 3/00、C21B 13/00 等技術(shù)領(lǐng)域，涵蓋鐵基合金、鋼渣廢料處理、生鐵冶煉、直接還原法煉液體鋼等。

表2 2000—2022年全球廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域排名前10 位的IPC

表3 列出了2000—2022年中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麖?qiáng)度為70 及以上的核心專利分布情況?？梢钥闯?，相關(guān)專利權(quán)人均為企業(yè)，專利以在國內(nèi)申請為主，所有專利均為2018—2021年申請的有效專利。廣西銀億新材料有限公司和廣西銀億高新技術(shù)研發(fā)有限公司相關(guān)專利的專利強(qiáng)度最高，其廢鋼鐵利用技術(shù)涉及廢舊鋰離子電池回收。其次是中冶京誠工程技術(shù)有限公司，其廢鋼鐵利用技術(shù)涉及煉鋼設(shè)備和方法，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司和寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司的廢鋼鐵利用技術(shù)涉及含鐵含鋅固廢資源化利用的裝置及方法，瀜礦環(huán)?？萍迹ㄉ虾＃┯邢薰镜膹U鋼鐵利用技術(shù)涉及利用鋼鐵渣萃取物輔助生物質(zhì)制氫和生物炭系統(tǒng)等。

表3 2000—2022年中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域的核心專利分布

4 結(jié)論與建議

通過對廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域的論文與專利分析，主要得出以下結(jié)論與建議：

（1）近年來，廢鋼鐵利用技術(shù)無論是在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域還是應(yīng)用研究領(lǐng)域都正處于快速發(fā)展期。中國、印度、美國、韓國和日本是廢鋼鐵利用技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的主要研發(fā)國家，中國、韓國、日本、美國和德國是廢鋼鐵利用技術(shù)應(yīng)用研究領(lǐng)域的主要研發(fā)國家。盡管中國相關(guān)論文數(shù)量和專利數(shù)量最多，但發(fā)達(dá)國家及其相關(guān)機(jī)構(gòu)在論文國際影響力和專利授權(quán)率方面均優(yōu)于中國。中國廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域的高水平研究成果數(shù)量仍有待提升，應(yīng)繼續(xù)加大科技創(chuàng)新研發(fā)投入強(qiáng)度，通過政策引導(dǎo)和市場激勵(lì)相結(jié)合，形成廢鋼鐵利用領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)合力，協(xié)同推動鋼鐵產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

（2）全球廢鋼鐵利用技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)包括北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、重慶大學(xué)、埃及知識銀行等。全球廢鋼鐵利用技術(shù)應(yīng)用研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)包括日本杰富意鋼鐵公司、新日本制鐵公司、韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司等；重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域包括多元羧酸鹽水泥、碳鋼冶煉、鐵基合金、鋼渣廢料處理等；主要專利發(fā)明人大都來自日本企業(yè)。因此中國應(yīng)積極制訂相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)計(jì)劃，不斷引進(jìn)吸納廢鋼鐵利用技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新人才。

（3）中國廢鋼利用技術(shù)領(lǐng)域排名前兩位的專利權(quán)人是高校，因此應(yīng)不斷完善產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體系，加快推動廢鋼鐵利用技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。