國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)
——工業(yè)過(guò)程在線分析檢測(cè)儀器開發(fā)與應(yīng)用

史燁弘

(北京礦冶研究總院，北京 102628)

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)
——工業(yè)過(guò)程在線分析檢測(cè)儀器開發(fā)與應(yīng)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(yáng)自動(dòng)化研究所、北京化工大學(xué)、天津大學(xué)、聚光科技(杭州)股份有限公司、上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司、云南磷化集團(tuán)有限公司、遼寧忠旺集團(tuán)有限公司8家單位，合作申報(bào)2016年度國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目——工業(yè)過(guò)程在線分析檢測(cè)儀器開發(fā)與應(yīng)用，順利通過(guò)科技部組織的項(xiàng)目評(píng)審，獲得立項(xiàng)審批。

縱觀全球，德國(guó)“工業(yè)4.0”、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和“中國(guó)制造2025”的核心是自動(dòng)化和信息化融合。其中，工業(yè)過(guò)程在線分析檢測(cè)技術(shù)(PAT)是信息化的基石，典型流程工業(yè)過(guò)程產(chǎn)物化學(xué)組成的PAT則是重中之重。目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科技發(fā)展對(duì)科學(xué)儀器有著迫切的需求，同時(shí)我國(guó)已經(jīng)具備了科學(xué)儀器設(shè)備自主研發(fā)的氛圍和基礎(chǔ)。科學(xué)儀器的研制在支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，如：“中國(guó)制造2025”、工業(yè)強(qiáng)基工程、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)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(guò)程在線分析檢測(cè)儀器開發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目研究目標(biāo)為：針對(duì)化工(有機(jī))和選冶(無(wú)機(jī))工業(yè)過(guò)程產(chǎn)物及排放物在線檢測(cè)的重大需求，開發(fā)及完善在線液晶近紅外光譜分析儀、過(guò)程在線質(zhì)譜分析儀、在線LIBS分析儀；開發(fā)典型化工及選冶工業(yè)過(guò)程的在線檢測(cè)應(yīng)用方法；在典型化工及選冶工業(yè)過(guò)程實(shí)施應(yīng)用示范；所開發(fā)儀器及應(yīng)用方法具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)工程化、產(chǎn)業(yè)化。

項(xiàng)目的研究成果將應(yīng)用于石油、化工、冶金、礦產(chǎn)、能源等重要流程工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)物和排放物，包括氣體、固體、液體及混合態(tài)物質(zhì)，以及有機(jī)和無(wú)機(jī)成分，常量和微量在線分析檢測(cè)。近紅外(NIR)適合固、液有機(jī)物的常量無(wú)損分析，過(guò)程質(zhì)譜(MS)適合氣體物料的微量分析，激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)適合礦物、金屬等無(wú)機(jī)成分在線分析，這3類分析技術(shù)和儀器的應(yīng)用領(lǐng)域可覆蓋眾多重要工業(yè)流程。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在NIR、MS、LIBS等技術(shù)與裝備上取得重要研究進(jìn)展，在國(guó)家進(jìn)一步支持下將迅速解決工程化和產(chǎn)業(yè)化方面的重大應(yīng)用科學(xué)問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“中國(guó)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?zé)舭l(fā)光，經(jīng)液晶調(diào)諧濾波波長(zhǎng)掃描和單元近紅外檢測(cè)器檢測(cè)，使用新型PDS模型傳遞方法實(shí)現(xiàn)模型傳遞的技術(shù)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(guò)程在線質(zhì)譜分析儀將采用高品質(zhì)四級(jí)桿質(zhì)量分析器，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程氣體的多流路多組分快速分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型化工生產(chǎn)工藝中多點(diǎn)、多組分的快速檢測(cè)，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(cè)量技術(shù)和基于圖像反饋干擾校正的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法解決高溫、礦漿濺射、基體波動(dòng)帶來(lái)的信號(hào)穩(wěn)定性差等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)原位、在線、快速高精度測(cè)量。

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

在工程化和產(chǎn)業(yè)化方面，本項(xiàng)目研制的在線NIR、MS、LIBS將通過(guò)環(huán)境測(cè)試、異地測(cè)試、可靠性測(cè)試，安全性、質(zhì)量控制方法標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范，達(dá)到相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在行業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。依托項(xiàng)目研發(fā)成果和專業(yè)人才，搭建集研發(fā)+應(yīng)用+企業(yè)的高水平成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)，推動(dòng)本項(xiàng)目研發(fā)的技術(shù)成果在化工、石油、有色、鋼鐵、礦產(chǎn)、能源等行業(yè)的應(yīng)用。

本項(xiàng)目具有強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人于海斌研究員是國(guó)家首批“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國(guó)家杰出青年基金獲得者，曾獲全國(guó)優(yōu)秀科技工作者、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、中國(guó)青年科技創(chuàng)新杰出獎(jiǎng)?，F(xiàn)任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量控制和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)主任、國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)Fellow，“網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)”國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心主任，作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)國(guó)家杰青基金、“863”計(jì)劃、重大專項(xiàng)等10余項(xiàng)科研項(xiàng)目。李華昌研究員是我國(guó)著名冶金分析專家，現(xiàn)任國(guó)家重有色金屬質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心常務(wù)副主任、北京礦冶研究總院測(cè)試研究所所長(zhǎng)、金屬礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與分析檢測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，主持并為主完成國(guó)家和省部級(jí)科研項(xiàng)目近30項(xiàng)，獲各種科技獎(jiǎng)勵(lì)21項(xiàng)。袁洪福教授是我國(guó)在線近紅外技術(shù)與裝備研究領(lǐng)域的權(quán)威專家。項(xiàng)目課題負(fù)責(zé)人孫蘭香、史燁弘、王召、李霞等在激光誘導(dǎo)擊穿光譜、過(guò)程質(zhì)譜、化工、在線分析等各自研究領(lǐng)域均承擔(dān)過(guò)多項(xiàng)課題和多項(xiàng)研究成果。本項(xiàng)目參與人員高級(jí)職稱59人，中級(jí)職稱41人，初級(jí)職稱12人，其它16人；博士學(xué)位17人，碩士學(xué)位59人，學(xué)士學(xué)位45人，其它7人。

項(xiàng)目牽頭單位北京礦冶研究總院是國(guó)資委直屬的中央企業(yè)，屬國(guó)家首批創(chuàng)新型企業(yè)，是我國(guó)以礦冶科學(xué)與工程技術(shù)為主的規(guī)模最大的綜合性研究與設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，目前已建成了“選冶過(guò)程智能檢測(cè)分析技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)”，形成了礦漿品位分析技術(shù)、礦漿粒度分析技術(shù)、離子濃度分析技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、EMC測(cè)試技術(shù)等6個(gè)專用研發(fā)生產(chǎn)單元和一個(gè)儀器總裝測(cè)試車間。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所在我國(guó)率先開創(chuàng)了機(jī)器人研究的新領(lǐng)域，是機(jī)器人技術(shù)國(guó)家工程中心，承擔(dān)了多項(xiàng)LIBS研發(fā)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目。北京化工大學(xué)光譜快速檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要研究?jī)?nèi)容包括近紅外分析儀器設(shè)計(jì)與集成，在石化領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。天津大學(xué)國(guó)家工業(yè)結(jié)晶工程技術(shù)研究中心已逐漸發(fā)展成為擁有國(guó)際一流的現(xiàn)代化研發(fā)平臺(tái)。聚光科技(杭州)股份有限公司和上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司均是我國(guó)分析檢測(cè)儀器領(lǐng)域龍頭企業(yè)，在線過(guò)程質(zhì)譜的技術(shù)與裝備均處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，具備高端檢測(cè)技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)能力，以及豐富的應(yīng)用工程和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)。在生產(chǎn)廠地、人員素質(zhì)、設(shè)備產(chǎn)能、質(zhì)量工藝管理及公司的物料供應(yīng)鏈管理、過(guò)程控制等方面均能為本項(xiàng)目的順利實(shí)施提供保障。云南磷化集團(tuán)有限公司是我國(guó)最大的磷化工企業(yè)，遼寧忠旺集團(tuán)有限公司是我國(guó)鋁合金制造大型民營(yíng)企業(yè)，將在本項(xiàng)目中參與在線分析儀器應(yīng)用示范建設(shè)。

本項(xiàng)目的實(shí)施將打破多個(gè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)儀器應(yīng)用的空白，將大幅度提高制造業(yè)生產(chǎn)水平，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少三廢排放，產(chǎn)生重大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目執(zhí)行期間即可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，驗(yàn)收后3年內(nèi)年銷售達(dá)到50套，直接銷售額達(dá)6900萬(wàn)元/年，間接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)10億元/年。