赵晓丹1，吴骞2，吴昊2，田书磊2

1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心

2.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所

焚烧飞灰产生于生活垃圾焚烧发电烟气净化系统，颜色呈灰色或浅灰色，粒径小、结构复杂，因比表面积大等特性而具有较好的吸附性能。其主要化学元素组成为Ca、Cl、Si、K、Na和Al等，主要化学成分为CaO、Cl、SiO2、K2O和Na2O等，属于CaO-SiO2-Al2O3体系，具有制备胶凝材料的元素基础。 

焚烧飞灰产生量与焚烧炉类型有关，通常认为其产量约为入炉垃圾焚烧量的3%~15%。据《中国统计年鉴（2023）》显示，2022年我国生活垃圾清运量为2.44亿t，其中焚烧处理量为1.95亿t，由此估算我国焚烧飞灰每年产生量约为1 000万t。因含有高浸出浓度的重金属和痕量二噁英，焚烧飞灰被纳入《国家危险废物名录（2025年版）》管理。 

长期以来，我国焚烧飞灰以进入生活垃圾填埋场填埋为主，2020年国家发展和改革委员会下发了关于印发《城镇生活垃圾分类和处理设施补短板强弱项实施方案》的通知（发改环资〔2020〕1257号）文件，明确提出：原则上地级以上城市以及具备焚烧处理能力的县（市、区），不再新建原生生活垃圾填埋场，现有生活垃圾填埋场主要作为垃圾无害化处理的应急保障设施使用。到2023年基本实现原生生活垃圾“零填埋”。因此，可以预测，未来焚烧飞灰将面临“无处填埋”的困境，无害化与资源化将成为焚烧飞灰的主要处理方向。目前，焚烧飞灰无害化技术主要有高温熔融、高温烧结、水热法、固化稳定化和等离子体熔融技术等；资源化利用技术主要包括水泥窑协同处置，制备微晶玻璃以及用作水泥熟料、陶粒、催化剂等。 

本研究从专利角度全面分析全球焚烧飞灰利用处置技术发展现状，以申请趋势、研发区域分布、技术构成和技术用途分布为切入点，重点剖析我国焚烧飞灰专利技术研发现状，并进一步探究高价值焚烧飞灰专利技术发展趋势，从而为我国焚烧飞灰技术发展方向和环境管理技术政策制定提供参考。 

本研究以Incopat数据库作为数据来源。该数据库收录并汉化了来自全球170个国家、组织和地区自1782年起的多达1.8亿余件专利技术。在本次研究中，检索主要信息为“焚烧飞灰”，检索截止时间为申请日2023年12月31日，共检索得到3 884条数据。因专利记录形式分为“项”和“件”，即1项专利代表1个专利家族，若该项专利技术在多个国家提交申请，则对应多件专利。因此，采用简单同族合并规则对3 884条数据整理得到2 856项专利，时间跨度为1964—2023年。 

采用Zotero 7.0.3软件对所选专利进行管理，利用Incopat数据库中的分析语义以及Origin Pro 2024、Adobe Illustrator 2022软件对专利技术进行可视化分析。Incopat数据库综合技术、经济、法律、战略等维度的相关参数及权重计算专利价值度得分，并将专利价值度得分为10的专利定义为高价值专利。专利的聚类分析主要从利用语义的主题聚类分析和德文特分类代码共现两个角度分别对其进行揭示和可视化呈现；以专利技术的稳定性、技术先进性及专利保护范围为切入点，挖掘高价值核心专利，分析其申请趋势、研发省（区、市）分布、技术构成和用途分布。

2.1 焚烧飞灰专利主要技术体系

基于技术文献和专利的初检结果，对焚烧飞灰专利按照主题或主要发明点进行技术分解，对焚烧飞灰专利技术手段进行综合分类整理，得到相关技术体系分类（图1）。根据专利技术目标可将焚烧飞灰专利分为危险特性和技术目标两大类，其中危险特性又可分为二噁英和重金属两大类，技术目标又可分为无害化和资源化两大类。 

图1  焚烧飞灰专利技术体系

2.2   全球焚烧飞灰专利研发趋势

2.2.1   时间态势

对1964—2023年的3 884件专利进行分析发现，焚烧飞灰专利数量发展可分为3个阶段（图2）：1）1964—1989年，孕育阶段。该阶段专利数量较少，年申请专利数量小于20件。2）1990—2014年，萌芽阶段。该阶段专利数量逐渐增加，年申请专利数量为20~100件。3）2015—2023年，快速生长阶段。该阶段专利数量迅速增加，年申请专利数量超过100件。其中，2021年、2022年专利数量分别为479、487件，表明焚烧飞灰的环境安全利用处置已逐渐成为全球的研究热点。 

图2  全球焚烧飞灰专利申请趋势

2.2.2   国家分布

进一步对3 884件专利所属的地域进行分析，如图3所示。全球多个国家有焚烧飞灰专利申请，其中我国专利数量远超其他国家，共有2 960件，位居世界首位，占全球焚烧飞灰专利申请总数的76.21%。将专利数量的国家由多到少进行排名，分别为中国（2 960件，占比76.21%）、日本（632件，占比16.27%）、韩国（86件，占比2.21%）、美国（48件，占比1.24%）等。造成该领域专利数量地区间分布不均匀的主要因素为生活垃圾处理方式、焚烧飞灰产生量和管理政策。生活垃圾处理方式主要有填埋和焚烧两大类，但面临着填埋费用较高且填埋场址有限等难题。自2019年起，我国生活垃圾处理方式由填埋为主转变为以焚烧为主，焚烧飞灰产生量剧增。据估算我国焚烧飞灰产生量约为1 000万t/a，且呈持续上升势态。我国作为焚烧飞灰专利创新最主要的技术来源国，在技术创新的支撑下，国家先后发布了多项焚烧飞灰相关的标准规范等技术指导文件，进一步精准支撑了焚烧飞灰的环境管理，如《国家危险废物名录（2025年版）》提出，焚烧飞灰满足相关标准后进入生活垃圾填埋场填埋或进入水泥窑协同处置环节予以豁免。 

图3  焚烧飞灰专利研发国家分布

2.2.3   技术领域构成

国际专利分类（International Patent Classification，IPC）号能够清晰描述出当前全球焚烧飞灰研究领域、主题和热点的分布。由全球焚烧飞灰专利技术领域构成分布（图4）可知，焚烧飞灰专利技术主要集中在固体废物处理领域，共有1 769件专利，占比45.55%，表明焚烧飞灰的环境安全利用处置在固体废物领域占有重要的地位。其次，石灰、氧化镁、矿渣、水泥、人造石、陶瓷等专利技术有999件，占比25.72%，这些材料在焚烧飞灰协同处理中具有重要作用，如石灰和氧化镁可通过化学反应固定重金属等有害物质而常用于焚烧飞灰的稳定化处理，矿渣、水泥等材料通过将焚烧飞灰转化为建筑材料等产品而广泛用于其资源化利用。分离相关的专利技术有410件，占比10.56%。水、废水、污水或污泥的处理相关专利技术有409件，焚烧炉、废品或低品位燃料的焚毁相关专利技术有396件，通过产生化学变化使有害的化学物质无害或减少害处的方法相关专利技术有387件。通过化学反应将焚烧飞灰中含有的多种有害物质（如重金属、二噁英等）转化为无害物质或降低其毒性，是焚烧飞灰处理的关键核心技术之一。这一领域的研究有助于开发更安全、更有效的焚烧飞灰处理技术，保障生态环境和人类健康。 

图4  全球焚烧飞灰专利技术领域构成

2.2.4   技术用途分布

焚烧飞灰专利技术用途分布如图5所示。可将焚烧飞灰全球专利技术用途分为能源矿物、方法过程、环境工程、化学品和土木建筑5个领域，其中方法过程领域专利数量最多，有1 635件；能源矿物领域和环境工程领域分别占第2位和第3位。方法过程领域可划分为处理方法、制备方法、生产方法等，其中，处理方法可划分为处理、处理方法以及协同处理3个角度。能源矿物领域主要与燃料有关，分为焚烧、焚烧飞灰、垃圾焚烧飞灰、粉煤灰、焚烧灰、垃圾焚烧共6个角度，其中与焚烧角度相关的专利数量最多，有437件。环境工程领域专利数量有1 362件，可分为垃圾、回收和土壤。总体而言，焚烧飞灰全球专利用途主要分布于能源矿物领域的燃料-焚烧，方法过程领域的处理方法-处理以及环境工程领域的垃圾-垃圾3个角度。由此可见，当前全球对焚烧飞灰的研究热点主要围绕其焚烧环节、处理方法、制备方法展开，同时，值得注意的是，探究焚烧飞灰中重金属、二噁英等污染物质以及以焚烧飞灰制备建筑材料的相关研究是近年来焚烧飞灰专利技术的重点研究方向和新兴方法，但相关专利数量还较少。

图5  全球焚烧飞灰专利用途分布

2.3   我国焚烧飞灰专利研发趋势

通过上述讨论与分析可知，我国焚烧飞灰专利技术在全球焚烧飞灰专利技术中占据主导地位。分析我国焚烧飞灰专利研发趋势有利于明晰我国以及全球焚烧飞灰专利技术未来演变趋势，为焚烧飞灰处理处置及政策管理提供针对性意见和建议。 

2.3.1   时间态势

我国焚烧飞灰专利技术申请始于1997年，晚于全球首件专利申请约30年。截至2023年，我国共申请2 960件专利，这些专利随时间分布如图6所示。从图6可以看出，我国焚烧飞灰专利发展历程与全球趋势基本一致，也可分为3个阶段：1）1997—2005年，孕育阶段。该阶段专利数量较少，年申请专利数量小于20件；2）2006—2014年，萌芽阶段。该阶段专利数量逐渐增加，年申请专利数量为20~100件；3）2015—2023年，快速生长阶段。该阶段专利数量迅速增加，年申请专利数量超过100件。其中，2021年、2022年专利数量分别为455、456件，分别占该阶段全球焚烧飞灰专利数量的94.99%、93.63%，表明我国已成为全球焚烧飞灰专利申请的主要贡献国。 

图6  中国焚烧飞灰专利申请趋势

2.3.2   省（区、市）分布

分析我国焚烧飞灰专利申请的省（区、市）分布情况可知，焚烧飞灰专利申请主要集中于我国东南沿岸地区，其中，江苏、北京、浙江、广东和上海专利申请量较多，分别有452、426、367、283和249件，共占我国焚烧飞灰专利申请数量的60.03%，是我国焚烧飞灰专利技术的主要来源区。焚烧飞灰专利申请数量的区域分布与我国生活垃圾焚烧处理量区域分布存在一定相关性，《中国统计年鉴（2023）》显示，江苏、北京、浙江、广东和上海2022年焚烧处理的生活垃圾量分别为1 734.90万、491.20万、1 366.40万、2 664.10万和664.40万t，是我国生活垃圾焚烧处理的重要区域。此外，这些区域的科研机构较多以及环保产业发展较强也是专利申请较多的一个重要原因。 

2.3.3   专利类型

我国焚烧飞灰专利技术类型分布如图7所示。发明申请类专利数量最多，占比为56.39%；发明授权专利占比为24.26%，为焚烧飞灰处理技术应用和推广提供了坚实的保障。实用新型类专利占比为19.29%，表明我国不仅重视焚烧飞灰处理过程的发明创造，同时很多学者对处理设备和工艺的结构优化等实用性改造也进行了广泛研究。

图7  中国焚烧飞灰专利技术类型分布

2.3.4   技术领域构成

如图8所示，我国焚烧飞灰专利技术主要集中在固体废物的处理方面，共有1 145件专利，占我国焚烧飞灰专利技术的38.68%。焚烧飞灰作为CaO-SiO2-Al2O3基固体废物，具有一定的资源属性，如在水泥窑协同处置方面，部分大型水泥厂依据专利技术优化生产流程，成功将焚烧飞灰作为原料的一部分进行处理。通过精确控制焚烧飞灰的掺入比例和水泥窑工况，有效降低焚烧飞灰的毒性，在一定程度上减少了水泥生产对传统原料的依赖，实现了资源的循环利用。其次，石灰、氧化镁、矿渣、水泥、人造石、陶瓷等专利技术为第2位，有767件；这与全球焚烧飞灰专利技术主要构成具有一致性。经分析发现，焚烧炉、废品或低品位燃料的焚毁相关专利技术占第3位，有284件，这一构成在全球焚烧飞灰专利技术中排名第5（图4），我国这一构成的专利数量占全球总件数71.72%，是全球焚烧飞灰焚烧炉、废品或低品位燃料的焚毁相关技术的主要来源。水、废水、污水或污泥的处理相关专利技术位列第4，我国有280件，与全球焚烧飞灰专利技术构成具有一致性，体现了焚烧飞灰处理过程中对废水处理技术创新的需求；而化学或物理方法、其有关设备领域的101项以及通过产生化学变化使有害的化学物质无害或减少害处的方法等领域的221项专利则表明化学和物理处理手段在焚烧飞灰处理中的重要性。分离技术在我国焚烧飞灰专利技术（275件）占第5位，而在全球（410件）占第3位，表明分离技术在我国的研究弱于全球平均水平，这可能是由于我国生活垃圾组分复杂，因此焚烧飞灰有价组分组成复杂且含量波动范围大。在资源回收利用上，金属的生产或精炼、原材料的预处理等金属相关技术领域有一定数量专利，这反映了我国对焚烧飞灰中金属资源回收的重视，契合“减量化、再利用、再循环”的循环经济模式。总之，我国焚烧飞灰专利技术领域构成是对环保政策、资源回收和行业发展需求的反映。

图8  中国焚烧飞灰专利技术领域构成

专利技术构成成效可以分为成本降低、复杂性降低、效率提高、稳定性提高、经济性提高、消耗降低、安全提高、污染避免、便利性提高和资源化共10种。我国焚烧飞灰专利技术构成成效（图9）表明，当前我国焚烧飞灰专利技术研究主要成效集中在成本降低、复杂性降低、效率提高和稳定性提高等。相对而言，在资源化、便利性提高、污染避免、安全提高、经济性提高和消耗降低等成效方面的专利数量较少，预示我国焚烧飞灰处理技术在资源化利用等方面还有较大的研究和发展空间。

图9  中国焚烧飞灰专利技术构成成效

2.3.5   技术用途分布

我国焚烧飞灰专利技术用途分布如图10所示。其分布情况与全球较为一致，均呈现出方法过程领域专利数量（1 258件）最多，能源矿物领域（1 232件）次之，环境工程领域专利数量为996件，化学品领域专利数量为674件，土木建筑领域有314件，能源矿物领域焚烧和焚烧飞灰角度相关的专利分别有357和295件，是焚烧飞灰在我国以及全球专利技术中最主要的两大用途。此外，方法过程领域制备方法-制备角度专利数量有298件，方法过程领域处理方法-处理角度专利数量有215件。环境工程领域垃圾和生活垃圾角度专利数量分别为249和224件。总体而言，我国焚烧飞灰专利用途主要分布于能源矿物领域的燃料-焚烧和燃料-焚烧飞灰、方法过程领域的制备方法-制备和处理方法-处理、环境工程领域的垃圾-垃圾和垃圾-生活垃圾角度，表明我国焚烧飞灰专利技术主要集中在焚烧环节、处理方法、制备方法等方面，同时，值得注意的是，协同处理、建筑材料角度的专利技术是近年来我国焚烧飞灰专利技术的新兴方法和重点研究方向。

图10  中国焚烧飞灰专利技术用途分布

2.3.6   专利热点主题分布特征

基于Incopat数据库中聚类分析和3D沙盘分析，绘制中国焚烧飞灰专利技术在专利家族不同热点主题的分布，如图11所示。中国焚烧飞灰专利技术共5个聚类，分别为资源化、浸出毒性、生活垃圾、高温熔融和飞灰。其中，与浸出毒性相关的专利聚类凸显了对有害物质控制处理的重视，这符合我国当前环保要求；与资源化、高温熔融相关的专利聚类指明了当前及未来我国焚烧飞灰的研究重点。3D沙盘分析直观展现了专利密度分布，揭示了技术热点主题的分布，具体为水洗、飞灰储存、二噁英、浸出毒性、高分子螯合剂、固化体、预处理、胶凝材料。其中，二噁英、浸出毒性具有复现性，体现了我国对焚烧飞灰毒性的高度重视；高分子整合剂相关聚类反映了在处理药剂研发上的投入方向；飞灰储存、管道网在3D沙盘图中呈现出较高的“山峰”，意味着在焚烧飞灰的存储和运输环节有着较多的专利布局，体现了对焚烧飞灰后续管理的关注；熔融炉、液态炉渣的突出则反映了处理设备方面的创新。 

图11  中国焚烧飞灰专利技术聚类分析

目前我国焚烧飞灰处理行业重点在无害化，处理成本与效果亟待优化。中国环境科学研究院田书磊课题组基于“同根同源，以废治废，协同处理”原则，率先提出了焚烧飞灰厂内原位生态无害化解毒模式，大大降低了焚烧飞灰贮存、运输、填埋等环节成本及环境风险，处理后的焚烧飞灰残渣符合HJ 1134—2020《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）》对重金属、二噁英等毒性物质限值要求，相关技术已获得国内和美国多件专利，这为我国焚烧飞灰环境无害化管理开辟了新思路。在资源化利用探索方面，相关专利可为从焚烧飞灰中提取有价元素或生产建筑材料等资源化途径提供技术支撑；在全链条管理加强上，现有的存储、运输环节专利布局也为发展智能化监控和完善管理体系奠定了基础。 

2.4   全球高价值专利分析

2.4.1   时间态势

根据专利技术稳定性、先进性及专利保护范围，对焚烧飞灰专利价值度进行评估，专利价值度分值越高（最高为10），则该专利的价值越大。本部分基于Incopat数据库统计的专利价值度进行分析。图12（a）为焚烧飞灰专利技术专利价值度分布，绝大多数专利的价值度介于4~9，专利价值度为10的专利共有56件，均来源中国。通过对56件高价值专利时间态势分布深入分析〔图12（b）〕发现，2011年、2019年和2021年所申请的高价值焚烧飞灰专利技术较多，整体上申请数量呈平稳上升趋势。 

图12  全球焚烧飞灰专利价值度和时间态势分布

2.4.2   省（区、市）分布

对56件高价值焚烧飞灰专利分析可知，高价值专利主要集中于我国东南沿岸地区，与国内焚烧飞灰专利技术的申请省（区、市）具有一致性（2.3.2节），主要分布于浙江、江苏和北京，分别有11、10和10件，共占高价值焚烧飞灰专利申请数量的55.36%。广东、湖南、上海和重庆高价值专利技术分别有5、3、3和3件，是高价值专利技术集中分布的第二个区域；辽宁、河北、山东、河南、江西、福建各有1件。 

2.4.3   技术领域构成

高价值焚烧飞灰专利技术领域构成分布如图13所示，与全球（图4）、中国（图8）焚烧飞灰专利技术构成分布具有一致性，主要集中在固体废物的处理方面，占高价值焚烧飞灰专利技术的41.07%；部分专利提出的新型固化稳定化技术，能够在降低焚烧飞灰中重金属浸出毒性的同时，减少化学药剂的使用量，从而降低处理成本。其次，石灰、氧化镁、矿渣、水泥、人造石、陶瓷等专利技术为第2位；据统计，应用此类高价值专利技术的水泥企业，在原材料成本上可节省15%~20%。分离技术在高价值专利技术中排名第3；水、废水、污水或污泥的处理位列第4。通过分析高价值专利技术的构成分布可知，焚烧飞灰专利技术的研究重点侧重于处理和以人造石、陶瓷等为目标产品以及与矿渣等固废进行协同处理三方面。此外，高价值焚烧飞灰专利领域包含以焚烧炉、黏土/熔渣等成型为代表的焚烧领域，优化了焚烧过程中的能源利用效率，可降低焚烧飞灰处理过程中能源消耗。而与处理、方法过程领域相关的高价值专利通过缩短处理时间、提高设备处理能力等方式，提高焚烧飞灰处理量，从而提高经济效益。 

图13  全球高价值焚烧飞灰专利技术领域构成

2.4.4   技术用途分布

高价值专利技术的用途分布如图14所示。可见，其分布规律与全球、中国焚烧飞灰专利技术一致，均呈现出方法过程领域专利数量最多，能源矿物领域次之，环境工程领域第三。总体而言，能源矿物领域燃料-焚烧、方法过程领域处理方法-处理、环境工程垃圾领域垃圾等角度是焚烧飞灰高价值专利技术的主要用途分布。 

图14  高价值焚烧飞灰专利技术用途分布

（1）焚烧飞灰作为典型危险废物，其安全“解毒”和高效资源化利用受到广泛关注。在全球范围内，焚烧飞灰专利技术的申请呈现上升趋势，截至2023年12月31日已申请3 884件专利，其中我国作为全球焚烧飞灰专利技术主要来源国，有2 960件专利。焚烧飞灰专利技术主要由固体废物的处理和陶瓷等领域构成，主要分布于能源矿物领域燃料-焚烧和方法过程领域处理方法-处理角度。在焚烧飞灰相关专利和技术中，重金属、二噁英等污染物质以及以其为原料制备建筑材料的相关研究是重点研究方向和新兴方向。 

（2）焚烧飞灰的“解毒”和资源化利用可以有效缓解环境恶化问题、节约自然资源，同时降低企业运行成本。我国在焚烧飞灰处理处置方面具有全球优势，但焚烧飞灰与其他固废协同处理和资源化利用相关的专利申请数量较少，远远低于焚烧飞灰传统处理方法。未来，应着重强化焚烧飞灰高效资源化专利技术的开发，最大限度地发挥焚烧飞灰的资源属性。 

（3）我国焚烧飞灰专利基数大，但技术方案普遍较简单，大规模应用难，且部分专利保护范围过窄，专利排他性差。建议从焚烧飞灰研究重点、难点和市场转化角度出发，加强焚烧飞灰基础专利技术的开发，提升专利技术品质。同时，构建产学研合作模式，强化高校、科研单位和企业之间的合作，使基础研究和产品开发相结合，提升焚烧飞灰专利技术创新成果的转化力。 

（4）鼓励政府加强技术指导和政策供给，推动焚烧飞灰专利技术的开发和应用示范，积极修订焚烧飞灰相关技术指南，推动焚烧飞灰技术进步和产业发展，促进生态环境质量改善和降低环境风险。 

作者简介：赵晓丹（1978—），女，副研究员，主要从事发明专利初步审查工作，chshzhxd@126.com

通信作者：田书磊（1979—），男，正高级工程师，主要从事固体废物利用处置与环境风险控制等方面的研究，tianslcraes@126.com

赵晓丹，吴骞，吴昊，等.基于专利视角的焚烧飞灰研究现状与展望[J].环境工程技术学报，2025，15（2）：683-693. 

ZHAO X D,WU Q,WU H,et al.Research progress and prospects of municipal solid waste incineration fly ash from the perspective of patent[J].Journal of Environmental Engineering Technology，2025，15（2）：683-693.