中國石油乙烯技術專利群建設及推廣案例分析

張來勇 王 勇 孫長庚 李春燕 張伯熹 李錦輝 辛 江 金倬伊 李駿蒙 徐明遠 付德森

（中國寰球工程有限公司）

乙烯工業是石油化學工業的龍頭，乙烯是最重要的基本有機原料，約有75%的石化產品以乙烯為原料制得，乙烯生產規模、產量和技術標志著一個國家的石油化學工業發展水平。測算表明，大型乙烯企業帶動下游產業的增長系數為1∶50。每個百萬噸乙烯生產基地建成投產后，不僅企業本身銷售收入可超過200 億元，還可帶動下游1000 多億元產值的產業投資[1]。

每一項新技術的開發，都面臨技術推廣及技術保護問題。專利申請為新技術的知識產權保護提供了法律保障，也為專有技術的工業化應用鋪就了推廣路徑。中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中國石油）乙烯團隊在技術開發的同時制定了乙烯專利群建設計劃，通過多年的持續申報、維護，逐步形成了覆蓋面廣、保護有力的乙烯技術專利群。

1 中國石油乙烯技術發展現狀

2012 年，中國石油下屬中國寰球工程有限公司圍繞國家乙烯關鍵核心技術自主可控的重大需求，設計建成和投運了我國首套自主技術大型乙烯裝置，并形成多項自有專利技術。成套技術的成功應用使我國成為繼美國、德國、法國后世界上第四個擁有乙烯成套技術的國家，結束了我國乙烯成套技術長期依賴進口的局面。乙烯專利技術的成功授權為自有技術的推廣應用保駕護航，極大提升了我國在國際煉化領域的影響力和話語權[2-4]。

1.1 百萬噸級乙烷裂解制乙烯技術

近年來，全球乙烯行業呈現裂解原料輕質化、多元化、裝置規模大型化的發展趨勢[5]。中國石油乙烯團隊緊跟資源發展新方向，成功研發百萬噸乙烷裂解制乙烯技術，取得了一系列重大技術成果。

（1）開發出綠色低碳乙烷裂解技術。創建了乙烷裂解反應、熱傳遞和介質流動的構效關系，開發出轉化率高、運行周期長的乙烷裂解技術，乙烯收率高達83%，運行周期達150d；針對乙烷組分輕、混合氣相水分壓高的特點，突破性開發出乙烷原料增濕技術，乙烯節能達10kg 標準油/t。

（2）開發出簡潔節能的乙烯高效分離技術。針對乙烷裂解氣中氫氣、甲烷和C2占比超95%的特點，開發出脫乙烷塔與裂解氣壓縮機耦合開式熱泵的前脫乙烷前加氫簡潔分離工藝，設備減少20%以上；針對氫氣含量高、甲烷含量低的深冷系統，采用兩級膨脹制冷技術，充分利用氫氣的高焓降特性，顯著降低尾氣中乙烯損失。

（3）開發出清潔環保的減排技術。為了滿足日益嚴格的氮氧化物排放要求，開發形成自主SCR 脫硝技術，實現氨氣與煙氣的高效混合，使氮氧化物排放低于30mg/m3，達到超低排放標準。

上述技術成果申請發明專利17 件，目前已授權6 件。專利技術應用于長慶和塔里木兩個國家乙烷制乙烯示范工程，并于2021 年8 月成功投產[6-7]。乙烷裂解制乙烯專利技術具有乙烯收率高、裂解爐運行周期長、能耗低、綠色環保等特點，裝置能耗低于320kg 標準油/t 乙烯，煙氣中氮氧化物排放量低至約20mg/m3，CO2排放量比石腦油裂解裝置減少70%，各項工藝關鍵技術指標均達到國際領先水平。截至2022 年底，實現利稅超27 億元，每年可節能35×104t 標準油，減排CO2約120×104t。

1.2 大型復雜原料制乙烯成套技術

在新能源汽車技術不斷進步和發動機效率提高的大背景下，大部分煉廠開啟了由燃料型向化工型轉型的歷程。中國石油乙烯團隊充分發揮煉化一體化原料優勢，成功開發150×104t 超大型多種原料制乙烯成套技術，實現煉廠自產富乙烷氣、液化氣、石腦油、柴油、尾油的高效利用，形成了乙烯裂解核心技術。

（1）研發百萬噸級乙烯裂解工藝與裝備技術。形成的專利技術打破了原料由宏觀性質向分子級裂解反應轉化的瓶頸，攻克了強吸熱管內裂解反應與管外高溫煙氣沿徑向耦合傳熱計算的難題，開發出傳熱耦合計算模型，研制出適應多種復雜原料的系列乙烯裂解爐。發明了高效強化傳熱爐管，并實現強化傳熱技術持續升級，對國外生產的輻射爐管實施了成功替代，替代后乙烯收率提高2%，運行周期最長可延長76%。

（2）開發出國際領先的高效分離工藝，解決了雙烯高效分離、回收難題，開發了高效分離核心技術[8-9]，其中超低溫甲烷吸收乙烯流程關鍵指標優于國內外技術30%以上。

（3）攻克了多項重大裝備自主設計和制造難題，實現廢熱鍋爐等核心裝備國產化。

上述技術成果申請發明專利15 件，目前已授權8 件，形成的專利技術原料適應性、雙烯收率、綜合能耗等關鍵指標先進，單套裝置建設投資節約3～5 億元，成功應用于中國石油廣東石化公司120×104t/a 新建乙烯裝置。該裝置是我國目前采用自有技術建成投用的最大規模乙烯裝置。

1.3 乙烯高效節能技術及碳減排技術

圍繞乙烯裂解爐輻射段、對流段、裂解氣余熱回收系統3 個重要組成部分，采用強化傳熱高效爐管、裂解爐余熱回收、裂解爐耦合傳熱等技術，減少燃料氣消耗量，降低排煙溫度，提高裂解爐熱效率，延長清焦周期，增加超高壓蒸汽產量。開發了乙烯裂解爐高效節能技術，每年節能64.4×104t 標準煤，減排CO2達18.2×104t，被工業和信息化部列入《國家工業節能技術應用指南與案例（2022 年版）》[10]。乙烯高效節能技術已授權乙烯裂解爐高效節能技術相關專利12 件，其中發明專利3 件、實用新型專利9 件。

2 乙烯技術專利群布局與知識產權保護

專利保護應依據企業發展規劃所確定的市場定位進行規劃，為企業產品順利進入市場、技術順利實施保駕護航。為此，專利保護應具有前瞻性，瞄準未來市場中的技術與產品，重點鞏固和強化企業在產品或技術的差異化特性或功能上的控制力，力求占據行業領先甚至引導競爭對手的產品發展，實現對自身專利的完整保護。

技術保護不應是若干離散混亂的專利，而是圍繞產品或技術形成具有內在聯系、相互補充的一組專利組合，即專利群。專利群綜合了企業的產業、市場、法律等因素，涵蓋與之利害相關的時間、地域、技術、產品等維度。專利保護要做到對象清晰、目標明確，要根據相關領域的專利規模、分布狀況、變化趨勢、競爭對手的布局狀況及動態等信息，確定專利保護的規模與結構。

2.1 乙烯技術專利布局狀況

1994 年，中國石油申請首件乙烯技術專利，權利人為大慶石油化工總廠，主要涉及加熱爐奧氏體爐管鋼。當時專利申請量很低，僅為1～2 件/a，且多為乙烯裂解的核心工藝或裝備專利，主要涉及裂解爐、急冷油塔、堿洗塔、分離流程及裂解汽油和C2、C3加氫。伴隨乙烯專項啟動，2008 年開始，中國石油乙烯專利申請量開始攀升至10～20 件/a，2011 年達到49 件，2014 年達到峰值63 件，之后逐步降至20 件/a。乙烯專項二期啟動后，乙烯專利申請量增加至40 件/a，成套技術的相關專利技術均在此列。

中國石油乙烯技術專利申請的技術方案較為集中，特別是蒸汽裂解技術專利368 件、裂解烯烴轉化技術專利6 件、MTO 技術專利67 件、干氣分離技術4 件，最新發展起來的甲烷氧化/無氧偶聯技術專利儲備6 件。蒸汽裂解技術中，裂解爐及爐管專利35 件，分離流程22 件，急冷系統（急冷鍋爐、急冷油塔、急冷水塔）專利20 件，堿洗塔專利9 件，壓縮機及制冷三機專利4 件，干燥技術1 件，優化控制技術4 件，開停工專利8 件，原料處理專利8 件，C5以上重組分產物分離專利20 件，取樣及試驗模擬專利17 件，其他相關專利若干。

中國石油乙烯技術專利主要在國內布局，僅有15 件專利在國外布局，其中13 件通過PCT 途徑申請。國外主要布局在美國、歐洲及日本等國家和地區，分別申請8 件、7 件和3 件；此外，馬來西亞布局3 件，韓國布局2 件，加拿大、俄羅斯和新西蘭分別布局1 件。布局技術領域主要包括：裂解加氫催化劑9 件，裂解及MTO 分離工藝3 件，裂解原料混合C4+輕烴、干氣水合物分離工藝與裂解烯烴轉化催化劑各1 件。

2.2 知識產權保護舉措

中國石油乙烯團隊通過多年持續開發、申報、維護，逐步形成了覆蓋面廣、保護有力的乙烯技術專利群，為項目自主知識產權形成提供支持。

（1）乙烯生產技術專利分析。研究乙烯國內外專利現狀，包括主流工藝和設備的專利技術方案、權利保護范圍、保護地區及法律狀態等，全面掌握大乙烯技術專利第一手資料，篩選關鍵專利并予以評價，為專項各個課題的研究工作提供專利信息服務，為大乙烯技術國產化和產業化過程中的風險分析和自主知識產權形成奠定基礎。

（2）乙烯生產技術知識產權風險預警。對比相關專利技術內容，分析大乙烯主要工藝和關鍵設備在國產化和產業化過程中的侵權風險，確保專利技術申報與實施不侵權，支撐自主知識產權切實形成。以國內授權并維持有效專利為基礎，在專業人員的配合下，研究分析中國石油開發的大乙烯技術是否落入他人專利權保護范圍，實施過程中與他人專利權是否有交叉，專項實施是否必須以他人專利權為基礎。通過上述分析，研判專項技術在國內推廣應用中的專利風險，相應做出預警。

（3）乙烯生產技術知識產權保護策略。圍繞涉及的核心技術開發路線，對全球知名技術開發商的專利保護狀況進行梳理，分析研究其專利保護重點、特點及全球專利布局。針對工藝集成、催化劑、設備國產化過程中形成的研究成果，開展專利技術保護策略研究。對比現有技術，挖掘創新點，通過專利、技術秘密等知識產權形式加以保護。針對大乙烯成套技術中可能存在的知識產權侵權情況，開展應對策略研究。通過整體工藝專利技術、分支工藝專利技術及關鍵裝備多種專利技術的多維度網絡式申報，有效保護了乙烯專有技術成果。

3 中國石油乙烯技術專利申報與推廣案例

中國石油大型乙烯裂解技術專利已實現產業轉化，成功應用于22 個新建、改造乙烯項目的設計中，總產能超過900×104t，為集團增加營業額超200 億元。

3.1 技術推廣案例分析

中國石油大慶石化公司60×104t/a 乙烯裝置，是國內第一套采用自主開發的乙烯成套技術的乙烯示范裝置，在大型裂解爐、高效分離工藝等核心關鍵技術上取得重大創新和突破，技術達到國際先進水平。裂解爐采用強化傳熱技術，開發過程采用“夾點分析”對全裝置進行能量優化。2012 年10月投產后，高寒地區裂解爐熱效率最高達94.34%，運行周期最長為93d，較引進技術延長50%以上。10 多年運行結果表明，應用大型乙烯專利技術的裂解爐運行周期長、熱效率高，尾氣中乙烯回收率高，實現火炬零排放。

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤化工副產品深加工綜合利用項目乙烯裝置，是世界首套以煤基石腦油為原料的乙烯裝置，中國寰球工程有限公司（簡稱寰球公司）為其提供工藝技術、工程設計及采購服務。裂解爐輻射段爐管采用強化傳熱技術，分離系統采用前脫丙烷前加氫技術路線，在傳統乙烯熱泵基礎上增設丙烯熱泵，雙熱泵流程降低了分離系統的能耗。該乙烯裝置投產以來，運行平穩，熱效率高，各項指標先進。液體裂解爐運行周期達98d，較常規裂解爐延長50%以上。

中國石油廣東石化公司120×104t/a 乙烯裝置是國內采用自主技術設計建設的最大規模乙烯裝置。寰球公司為該項目提供技術，并負責項目設計、采購和建設。項目突破了裝置大型化、原料多元化帶來的多項技術難題。裂解爐設置了6 臺20×104t/a 液體爐和2 臺20×104t/a 氣體爐，其中液體爐是國內目前投用的最大規模。針對輕質裂解原料設計了急冷油低壓蒸汽發生系統、高低壓雙塔脫丙烷系統、乙烯低壓開式熱泵等各種節能措施，利用先進高效的節能技術，裝置能耗低于500kg 標準油/t 乙烯，達到國際領先水平[8]。

山東壽光魯清石化有限公司120×104t/a 輕烴綜合利用項目乙烯裝置中，裂解爐設置了重質液體爐、輕質液體爐與氣體爐，裂解爐采用強化傳熱元件的輻射段爐管技術，分離系統采用前脫丙烷前加氫技術路線。裂解裝置自投料運行以來，裝置運行平穩，各項指標先進。大型乙烯專利技術還應用于中國石油廣西石化公司120×104t/a 乙烯項目等多個乙烯裝置，以及獨山子石化公司擴能改造項目、四川石化公司乙烯擴能改造、大慶石化公司乙烯裝置擴能改造、浙江石油化工有限公司一期乙烯裝置擴能改造等多套擴能改造項目，均獲得不錯成效。

3.2 專利推廣中技術提升案例

中國石油乙烯團隊在專利技術推廣應用中積累了豐富的技術創新與應用模式創新經驗。首先，專利技術申報促進技術推廣，技術推廣中升級創新，形成持續創新發展路徑。其次，主體工藝與局部關鍵裝備的專利技術在新建和改造推廣中，形成矩陣式應用創新模式。

面對日益激烈的競爭和嚴苛的節能環保要求，對現有老舊裝置實施節能擴能改造，促使能耗進一步降低，經濟收益顯著提高。應用乙烯專利技術對5 套乙烯裝置進行節能擴能改造，乙烯產能新增79×104t。獨山子擴能改造項目打破了對國外技術的依賴，利用乙烯專利技術對引進技術乙烯裝置進行全流程核算，僅對裝置做局部適應性改造，實現百萬噸乙烯擴能，實現裝置經濟效益最大化。

除主體工藝專利技術以外，專利群中還有多項高效節能單項專利技術，例如裂解爐輻射爐管強化傳熱技術、裂解氣高效余熱回收技術等。這些單項專利技術成功應用于引進國外技術的中國石油獨山子石化公司100×104t 乙烯裝置4 臺LINDE 裂解爐、撫順石化公司80×104t/a 乙烯裝置7 臺S&W裂解爐、吉林石化公司70×104t 乙烯裝置的1 臺LINDE 裂解爐、大慶石化公司2 臺S&W 裂解爐和1 臺KBR 裂解爐、三江化工有限公司1 臺在建的S&W 裂解爐等。乙烯裝置改造后，裂解爐運行平穩，輻射段爐管具有不易結焦、爐管表面溫度低、運行周期長、降低裂解爐能耗等特點[11]，各項指標優于引進技術，為企業創造了較大利潤。

在日益激烈的市場環境中，知識產權成果獲得數十次成功推廣和應用，并可根據用戶需求進一步升級和優化，提高了自有技術競爭力，實現了技術的良性可持續發展。

4 結束語

全球新一輪的科技革命和產業變革同我國行業轉變發展方式出現了歷史性交匯，大國崛起無不以強大的科技創新能力為支撐。我們要把握行業發展新形勢，迎接行業發展新挑戰，搶占發展先機。中國石油乙烯團隊將所形成的專利技術推廣應用于新建和現有裝置的同時，迅速開展電裂解爐、化工電氣化替代等多項新專利技術的開發研究。在自有乙烯技術持續發展的過程中，扎實推進專利布局，對自有技術知識產權實施有效保護，為實現科技自立自強奠定牢固基礎。