史燁弘

(北京礦冶研究總院，北京 102628)

國家重點研發(fā)計劃重大科學儀器設備開發(fā)專項
——工業(yè)過程在線分析檢測儀器開發(fā)與應用

史燁弘

(北京礦冶研究總院，北京 102628)

2016年7月，由北京礦冶研究總院牽頭，聯(lián)合中科院沈陽自動化研究所、北京化工大學、天津大學、聚光科技(杭州)股份有限公司、上海舜宇恒平科學儀器有限公司、云南磷化集團有限公司、遼寧忠旺集團有限公司8家單位，合作申報2016年度國家重點研發(fā)計劃重大科學儀器設備開發(fā)專項項目——工業(yè)過程在線分析檢測儀器開發(fā)與應用，順利通過科技部組織的項目評審，獲得立項審批。

縱觀全球，德國“工業(yè)4.0”、美國工業(yè)互聯(lián)網和“中國制造2025”的核心是自動化和信息化融合。其中，工業(yè)過程在線分析檢測技術(PAT)是信息化的基石，典型流程工業(yè)過程產物化學組成的PAT則是重中之重。目前，我國經濟社會和科技發(fā)展對科學儀器有著迫切的需求，同時我國已經具備了科學儀器設備自主研發(fā)的氛圍和基礎?？茖W儀器的研制在支撐經濟發(fā)展中，如：“中國制造2025”、工業(yè)強基工程、戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展、智能制造工程等起到了很重要的作用。“工業(yè)過程在線分析檢測儀器開發(fā)與應用”項目研究目標為：針對化工(有機)和選冶(無機)工業(yè)過程產物及排放物在線檢測的重大需求，開發(fā)及完善在線液晶近紅外光譜分析儀、過程在線質譜分析儀、在線LIBS分析儀；開發(fā)典型化工及選冶工業(yè)過程的在線檢測應用方法；在典型化工及選冶工業(yè)過程實施應用示范；所開發(fā)儀器及應用方法具有自主知識產權，達到國際先進水平，實現(xiàn)工程化、產業(yè)化。

項目的研究成果將應用于石油、化工、冶金、礦產、能源等重要流程工業(yè)的生產過程產物和排放物，包括氣體、固體、液體及混合態(tài)物質，以及有機和無機成分，常量和微量在線分析檢測。近紅外(NIR)適合固、液有機物的常量無損分析，過程質譜(MS)適合氣體物料的微量分析，激光誘導擊穿光譜(LIBS)適合礦物、金屬等無機成分在線分析，這3類分析技術和儀器的應用領域可覆蓋眾多重要工業(yè)流程。近年來，國內在NIR、MS、LIBS等技術與裝備上取得重要研究進展，在國家進一步支持下將迅速解決工程化和產業(yè)化方面的重大應用科學問題，對推動我國經濟和產業(yè)發(fā)展、實現(xiàn)“中國制造2025”戰(zhàn)略具有重大意義。

在儀器研發(fā)方面，在線液晶近紅外光譜分析儀將采用鹵素燈發(fā)光，經液晶調諧濾波波長掃描和單元近紅外檢測器檢測，使用新型PDS模型傳遞方法實現(xiàn)模型傳遞的技術思路，開發(fā)新一代體積小、模型可共享、隔爆型、低成本、多用途、高性能的在線近紅外分析儀。過程在線質譜分析儀將采用高品質四級桿質量分析器，實現(xiàn)對過程氣體的多流路多組分快速分析，實現(xiàn)對典型化工生產工藝中多點、多組分的快速檢測，節(jié)約成本，優(yōu)化工藝控制。在線LIBS分析儀將采用雙脈沖激光非接觸式測量技術和基于圖像反饋干擾校正的化學計量學方法解決高溫、礦漿濺射、基體波動帶來的信號穩(wěn)定性差等問題，實現(xiàn)原位、在線、快速高精度測量。

本項目選擇石油化工烴類物料組成、電力爐前煤粉質量、甲醇合成、乙烯生產、磷礦浮選、鋁合金制造等典型工業(yè)生產流程進行儀器應用開發(fā)和示范應用，開發(fā)NIR、MS、LIBS的樣品在線采樣等前處理系統(tǒng)、輔助設備、信息傳輸系統(tǒng)、系統(tǒng)集成技術等。

在工程化和產業(yè)化方面，本項目研制的在線NIR、MS、LIBS將通過環(huán)境測試、異地測試、可靠性測試，安全性、質量控制方法標準、施工規(guī)范，達到相關國家標準，在行業(yè)應用實現(xiàn)標準化。依托項目研發(fā)成果和專業(yè)人才，搭建集研發(fā)+應用+企業(yè)的高水平成果轉化平臺，推動本項目研發(fā)的技術成果在化工、石油、有色、鋼鐵、礦產、能源等行業(yè)的應用。

本項目具有強大的研發(fā)團隊，項目負責人于海斌研究員是國家首批“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才、國家杰出青年基金獲得者，曾獲全國優(yōu)秀科技工作者、中國青年科技獎、中國青年科技創(chuàng)新杰出獎?，F(xiàn)任中國自動化學會副理事長、全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準委員會主任、國際自動化學會Fellow，“網絡化控制系統(tǒng)”國家地方聯(lián)合工程研究中心主任，作為負責人承擔國家杰青基金、“863”計劃、重大專項等10余項科研項目。李華昌研究員是我國著名冶金分析專家，現(xiàn)任國家重有色金屬質量監(jiān)督檢驗中心常務副主任、北京礦冶研究總院測試研究所所長、金屬礦產資源評價與分析檢測北京市重點實驗室主任，主持并為主完成國家和省部級科研項目近30項，獲各種科技獎勵21項。袁洪福教授是我國在線近紅外技術與裝備研究領域的權威專家。項目課題負責人孫蘭香、史燁弘、王召、李霞等在激光誘導擊穿光譜、過程質譜、化工、在線分析等各自研究領域均承擔過多項課題和多項研究成果。本項目參與人員高級職稱59人，中級職稱41人，初級職稱12人，其它16人；博士學位17人，碩士學位59人，學士學位45人，其它7人。

項目牽頭單位北京礦冶研究總院是國資委直屬的中央企業(yè)，屬國家首批創(chuàng)新型企業(yè)，是我國以礦冶科學與工程技術為主的規(guī)模最大的綜合性研究與設計機構，目前已建成了“選冶過程智能檢測分析技術產品的開發(fā)生產平臺”，形成了礦漿品位分析技術、礦漿粒度分析技術、離子濃度分析技術、嵌入式控制技術、EMC測試技術等6個專用研發(fā)生產單元和一個儀器總裝測試車間。中國科學院沈陽自動化研究所在我國率先開創(chuàng)了機器人研究的新領域，是機器人技術國家工程中心，承擔了多項LIBS研發(fā)國家級項目。北京化工大學光譜快速檢測與監(jiān)測技術團隊主要研究內容包括近紅外分析儀器設計與集成，在石化領域有廣泛應用。天津大學國家工業(yè)結晶工程技術研究中心已逐漸發(fā)展成為擁有國際一流的現(xiàn)代化研發(fā)平臺。聚光科技(杭州)股份有限公司和上海舜宇恒平科學儀器有限公司均是我國分析檢測儀器領域龍頭企業(yè)，在線過程質譜的技術與裝備均處于國內領先地位，具備高端檢測技術與產品的研發(fā)能力，以及豐富的應用工程和產業(yè)化經驗。在生產廠地、人員素質、設備產能、質量工藝管理及公司的物料供應鏈管理、過程控制等方面均能為本項目的順利實施提供保障。云南磷化集團有限公司是我國最大的磷化工企業(yè)，遼寧忠旺集團有限公司是我國鋁合金制造大型民營企業(yè)，將在本項目中參與在線分析儀器應用示范建設。

本項目的實施將打破多個領域國內儀器應用的空白，將大幅度提高制造業(yè)生產水平，節(jié)約生產成本，提高產品質量，減少三廢排放，產生重大的社會及經濟效益。項目執(zhí)行期間即可產生經濟效益，驗收后3年內年銷售達到50套，直接銷售額達6900萬元/年，間接經濟效益達10億元/年。