中国石油乙烯技术专利群建设及推广案例分析

张来勇 王 勇 孙长庚 李春燕 张伯熹 李锦辉 辛 江 金倬伊 李骏蒙 徐明远 付德森

（中国寰球工程有限公司）

乙烯工业是石油化学工业的龙头，乙烯是最重要的基本有机原料，约有75%的石化产品以乙烯为原料制得，乙烯生产规模、产量和技术标志着一个国家的石油化学工业发展水平。测算表明，大型乙烯企业带动下游产业的增长系数为1∶50。每个百万吨乙烯生产基地建成投产后，不仅企业本身销售收入可超过200 亿元，还可带动下游1000 多亿元产值的产业投资[1]。

每一项新技术的开发，都面临技术推广及技术保护问题。专利申请为新技术的知识产权保护提供了法律保障，也为专有技术的工业化应用铺就了推广路径。中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）乙烯团队在技术开发的同时制定了乙烯专利群建设计划，通过多年的持续申报、维护，逐步形成了覆盖面广、保护有力的乙烯技术专利群。

1 中国石油乙烯技术发展现状

2012 年，中国石油下属中国寰球工程有限公司围绕国家乙烯关键核心技术自主可控的重大需求，设计建成和投运了我国首套自主技术大型乙烯装置，并形成多项自有专利技术。成套技术的成功应用使我国成为继美国、德国、法国后世界上第四个拥有乙烯成套技术的国家，结束了我国乙烯成套技术长期依赖进口的局面。乙烯专利技术的成功授权为自有技术的推广应用保驾护航，极大提升了我国在国际炼化领域的影响力和话语权[2-4]。

1.1 百万吨级乙烷裂解制乙烯技术

近年来，全球乙烯行业呈现裂解原料轻质化、多元化、装置规模大型化的发展趋势[5]。中国石油乙烯团队紧跟资源发展新方向，成功研发百万吨乙烷裂解制乙烯技术，取得了一系列重大技术成果。

（1）开发出绿色低碳乙烷裂解技术。创建了乙烷裂解反应、热传递和介质流动的构效关系，开发出转化率高、运行周期长的乙烷裂解技术，乙烯收率高达83%，运行周期达150d；针对乙烷组分轻、混合气相水分压高的特点，突破性开发出乙烷原料增湿技术，乙烯节能达10kg 标准油/t。

（2）开发出简洁节能的乙烯高效分离技术。针对乙烷裂解气中氢气、甲烷和C2占比超95%的特点，开发出脱乙烷塔与裂解气压缩机耦合开式热泵的前脱乙烷前加氢简洁分离工艺，设备减少20%以上；针对氢气含量高、甲烷含量低的深冷系统，采用两级膨胀制冷技术，充分利用氢气的高焓降特性，显著降低尾气中乙烯损失。

（3）开发出清洁环保的减排技术。为了满足日益严格的氮氧化物排放要求，开发形成自主SCR 脱硝技术，实现氨气与烟气的高效混合，使氮氧化物排放低于30mg/m3，达到超低排放标准。

上述技术成果申请发明专利17 件，目前已授权6 件。专利技术应用于长庆和塔里木两个国家乙烷制乙烯示范工程，并于2021 年8 月成功投产[6-7]。乙烷裂解制乙烯专利技术具有乙烯收率高、裂解炉运行周期长、能耗低、绿色环保等特点，装置能耗低于320kg 标准油/t 乙烯，烟气中氮氧化物排放量低至约20mg/m3，CO2排放量比石脑油裂解装置减少70%，各项工艺关键技术指标均达到国际领先水平。截至2022 年底，实现利税超27 亿元，每年可节能35×104t 标准油，减排CO2约120×104t。

1.2 大型复杂原料制乙烯成套技术

在新能源汽车技术不断进步和发动机效率提高的大背景下，大部分炼厂开启了由燃料型向化工型转型的历程。中国石油乙烯团队充分发挥炼化一体化原料优势，成功开发150×104t 超大型多种原料制乙烯成套技术，实现炼厂自产富乙烷气、液化气、石脑油、柴油、尾油的高效利用，形成了乙烯裂解核心技术。

（1）研发百万吨级乙烯裂解工艺与装备技术。形成的专利技术打破了原料由宏观性质向分子级裂解反应转化的瓶颈，攻克了强吸热管内裂解反应与管外高温烟气沿径向耦合传热计算的难题，开发出传热耦合计算模型，研制出适应多种复杂原料的系列乙烯裂解炉。发明了高效强化传热炉管，并实现强化传热技术持续升级，对国外生产的辐射炉管实施了成功替代，替代后乙烯收率提高2%，运行周期最长可延长76%。

（2）开发出国际领先的高效分离工艺，解决了双烯高效分离、回收难题，开发了高效分离核心技术[8-9]，其中超低温甲烷吸收乙烯流程关键指标优于国内外技术30%以上。

（3）攻克了多项重大装备自主设计和制造难题，实现废热锅炉等核心装备国产化。

上述技术成果申请发明专利15 件，目前已授权8 件，形成的专利技术原料适应性、双烯收率、综合能耗等关键指标先进，单套装置建设投资节约3～5 亿元，成功应用于中国石油广东石化公司120×104t/a 新建乙烯装置。该装置是我国目前采用自有技术建成投用的最大规模乙烯装置。

1.3 乙烯高效节能技术及碳减排技术

围绕乙烯裂解炉辐射段、对流段、裂解气余热回收系统3 个重要组成部分，采用强化传热高效炉管、裂解炉余热回收、裂解炉耦合传热等技术，减少燃料气消耗量，降低排烟温度，提高裂解炉热效率，延长清焦周期，增加超高压蒸汽产量。开发了乙烯裂解炉高效节能技术，每年节能64.4×104t 标准煤，减排CO2达18.2×104t，被工业和信息化部列入《国家工业节能技术应用指南与案例（2022 年版）》[10]。乙烯高效节能技术已授权乙烯裂解炉高效节能技术相关专利12 件，其中发明专利3 件、实用新型专利9 件。

2 乙烯技术专利群布局与知识产权保护

专利保护应依据企业发展规划所确定的市场定位进行规划，为企业产品顺利进入市场、技术顺利实施保驾护航。为此，专利保护应具有前瞻性，瞄准未来市场中的技术与产品，重点巩固和强化企业在产品或技术的差异化特性或功能上的控制力，力求占据行业领先甚至引导竞争对手的产品发展，实现对自身专利的完整保护。

技术保护不应是若干离散混乱的专利，而是围绕产品或技术形成具有内在联系、相互补充的一组专利组合，即专利群。专利群综合了企业的产业、市场、法律等因素，涵盖与之利害相关的时间、地域、技术、产品等维度。专利保护要做到对象清晰、目标明确，要根据相关领域的专利规模、分布状况、变化趋势、竞争对手的布局状况及动态等信息，确定专利保护的规模与结构。

2.1 乙烯技术专利布局状况

1994 年，中国石油申请首件乙烯技术专利，权利人为大庆石油化工总厂，主要涉及加热炉奥氏体炉管钢。当时专利申请量很低，仅为1～2 件/a，且多为乙烯裂解的核心工艺或装备专利，主要涉及裂解炉、急冷油塔、碱洗塔、分离流程及裂解汽油和C2、C3加氢。伴随乙烯专项启动，2008 年开始，中国石油乙烯专利申请量开始攀升至10～20 件/a，2011 年达到49 件，2014 年达到峰值63 件，之后逐步降至20 件/a。乙烯专项二期启动后，乙烯专利申请量增加至40 件/a，成套技术的相关专利技术均在此列。

中国石油乙烯技术专利申请的技术方案较为集中，特别是蒸汽裂解技术专利368 件、裂解烯烃转化技术专利6 件、MTO 技术专利67 件、干气分离技术4 件，最新发展起来的甲烷氧化/无氧偶联技术专利储备6 件。蒸汽裂解技术中，裂解炉及炉管专利35 件，分离流程22 件，急冷系统（急冷锅炉、急冷油塔、急冷水塔）专利20 件，碱洗塔专利9 件，压缩机及制冷三机专利4 件，干燥技术1 件，优化控制技术4 件，开停工专利8 件，原料处理专利8 件，C5以上重组分产物分离专利20 件，取样及试验模拟专利17 件，其他相关专利若干。

中国石油乙烯技术专利主要在国内布局，仅有15 件专利在国外布局，其中13 件通过PCT 途径申请。国外主要布局在美国、欧洲及日本等国家和地区，分别申请8 件、7 件和3 件；此外，马来西亚布局3 件，韩国布局2 件，加拿大、俄罗斯和新西兰分别布局1 件。布局技术领域主要包括：裂解加氢催化剂9 件，裂解及MTO 分离工艺3 件，裂解原料混合C4+轻烃、干气水合物分离工艺与裂解烯烃转化催化剂各1 件。

2.2 知识产权保护举措

中国石油乙烯团队通过多年持续开发、申报、维护，逐步形成了覆盖面广、保护有力的乙烯技术专利群，为项目自主知识产权形成提供支持。

（1）乙烯生产技术专利分析。研究乙烯国内外专利现状，包括主流工艺和设备的专利技术方案、权利保护范围、保护地区及法律状态等，全面掌握大乙烯技术专利第一手资料，筛选关键专利并予以评价，为专项各个课题的研究工作提供专利信息服务，为大乙烯技术国产化和产业化过程中的风险分析和自主知识产权形成奠定基础。

（2）乙烯生产技术知识产权风险预警。对比相关专利技术内容，分析大乙烯主要工艺和关键设备在国产化和产业化过程中的侵权风险，确保专利技术申报与实施不侵权，支撑自主知识产权切实形成。以国内授权并维持有效专利为基础，在专业人员的配合下，研究分析中国石油开发的大乙烯技术是否落入他人专利权保护范围，实施过程中与他人专利权是否有交叉，专项实施是否必须以他人专利权为基础。通过上述分析，研判专项技术在国内推广应用中的专利风险，相应做出预警。

（3）乙烯生产技术知识产权保护策略。围绕涉及的核心技术开发路线，对全球知名技术开发商的专利保护状况进行梳理，分析研究其专利保护重点、特点及全球专利布局。针对工艺集成、催化剂、设备国产化过程中形成的研究成果，开展专利技术保护策略研究。对比现有技术，挖掘创新点，通过专利、技术秘密等知识产权形式加以保护。针对大乙烯成套技术中可能存在的知识产权侵权情况，开展应对策略研究。通过整体工艺专利技术、分支工艺专利技术及关键装备多种专利技术的多维度网络式申报，有效保护了乙烯专有技术成果。

3 中国石油乙烯技术专利申报与推广案例

中国石油大型乙烯裂解技术专利已实现产业转化，成功应用于22 个新建、改造乙烯项目的设计中，总产能超过900×104t，为集团增加营业额超200 亿元。

3.1 技术推广案例分析

中国石油大庆石化公司60×104t/a 乙烯装置，是国内第一套采用自主开发的乙烯成套技术的乙烯示范装置，在大型裂解炉、高效分离工艺等核心关键技术上取得重大创新和突破，技术达到国际先进水平。裂解炉采用强化传热技术，开发过程采用“夹点分析”对全装置进行能量优化。2012 年10月投产后，高寒地区裂解炉热效率最高达94.34%，运行周期最长为93d，较引进技术延长50%以上。10 多年运行结果表明，应用大型乙烯专利技术的裂解炉运行周期长、热效率高，尾气中乙烯回收率高，实现火炬零排放。

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤化工副产品深加工综合利用项目乙烯装置，是世界首套以煤基石脑油为原料的乙烯装置，中国寰球工程有限公司（简称寰球公司）为其提供工艺技术、工程设计及采购服务。裂解炉辐射段炉管采用强化传热技术，分离系统采用前脱丙烷前加氢技术路线，在传统乙烯热泵基础上增设丙烯热泵，双热泵流程降低了分离系统的能耗。该乙烯装置投产以来，运行平稳，热效率高，各项指标先进。液体裂解炉运行周期达98d，较常规裂解炉延长50%以上。

中国石油广东石化公司120×104t/a 乙烯装置是国内采用自主技术设计建设的最大规模乙烯装置。寰球公司为该项目提供技术，并负责项目设计、采购和建设。项目突破了装置大型化、原料多元化带来的多项技术难题。裂解炉设置了6 台20×104t/a 液体炉和2 台20×104t/a 气体炉，其中液体炉是国内目前投用的最大规模。针对轻质裂解原料设计了急冷油低压蒸汽发生系统、高低压双塔脱丙烷系统、乙烯低压开式热泵等各种节能措施，利用先进高效的节能技术，装置能耗低于500kg 标准油/t 乙烯，达到国际领先水平[8]。

山东寿光鲁清石化有限公司120×104t/a 轻烃综合利用项目乙烯装置中，裂解炉设置了重质液体炉、轻质液体炉与气体炉，裂解炉采用强化传热元件的辐射段炉管技术，分离系统采用前脱丙烷前加氢技术路线。裂解装置自投料运行以来，装置运行平稳，各项指标先进。大型乙烯专利技术还应用于中国石油广西石化公司120×104t/a 乙烯项目等多个乙烯装置，以及独山子石化公司扩能改造项目、四川石化公司乙烯扩能改造、大庆石化公司乙烯装置扩能改造、浙江石油化工有限公司一期乙烯装置扩能改造等多套扩能改造项目，均获得不错成效。

3.2 专利推广中技术提升案例

中国石油乙烯团队在专利技术推广应用中积累了丰富的技术创新与应用模式创新经验。首先，专利技术申报促进技术推广，技术推广中升级创新，形成持续创新发展路径。其次，主体工艺与局部关键装备的专利技术在新建和改造推广中，形成矩阵式应用创新模式。

面对日益激烈的竞争和严苛的节能环保要求，对现有老旧装置实施节能扩能改造，促使能耗进一步降低，经济收益显著提高。应用乙烯专利技术对5 套乙烯装置进行节能扩能改造，乙烯产能新增79×104t。独山子扩能改造项目打破了对国外技术的依赖，利用乙烯专利技术对引进技术乙烯装置进行全流程核算，仅对装置做局部适应性改造，实现百万吨乙烯扩能，实现装置经济效益最大化。

除主体工艺专利技术以外，专利群中还有多项高效节能单项专利技术，例如裂解炉辐射炉管强化传热技术、裂解气高效余热回收技术等。这些单项专利技术成功应用于引进国外技术的中国石油独山子石化公司100×104t 乙烯装置4 台LINDE 裂解炉、抚顺石化公司80×104t/a 乙烯装置7 台S&W裂解炉、吉林石化公司70×104t 乙烯装置的1 台LINDE 裂解炉、大庆石化公司2 台S&W 裂解炉和1 台KBR 裂解炉、三江化工有限公司1 台在建的S&W 裂解炉等。乙烯装置改造后，裂解炉运行平稳，辐射段炉管具有不易结焦、炉管表面温度低、运行周期长、降低裂解炉能耗等特点[11]，各项指标优于引进技术，为企业创造了较大利润。

在日益激烈的市场环境中，知识产权成果获得数十次成功推广和应用，并可根据用户需求进一步升级和优化，提高了自有技术竞争力，实现了技术的良性可持续发展。

4 结束语

全球新一轮的科技革命和产业变革同我国行业转变发展方式出现了历史性交汇，大国崛起无不以强大的科技创新能力为支撑。我们要把握行业发展新形势，迎接行业发展新挑战，抢占发展先机。中国石油乙烯团队将所形成的专利技术推广应用于新建和现有装置的同时，迅速开展电裂解炉、化工电气化替代等多项新专利技术的开发研究。在自有乙烯技术持续发展的过程中，扎实推进专利布局，对自有技术知识产权实施有效保护，为实现科技自立自强奠定牢固基础。