国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项——工业过程在线分析检测仪器开发与应用

史烨弘

(北京矿冶研究总院，北京 102628)

国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项
——工业过程在线分析检测仪器开发与应用

史烨弘

(北京矿冶研究总院，北京 102628)

2016年7月，由北京矿冶研究总院牵头，联合中科院沈阳自动化研究所、北京化工大学、天津大学、聚光科技(杭州)股份有限公司、上海舜宇恒平科学仪器有限公司、云南磷化集团有限公司、辽宁忠旺集团有限公司8家单位，合作申报2016年度国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项项目——工业过程在线分析检测仪器开发与应用，顺利通过科技部组织的项目评审，获得立项审批。

纵观全球，德国“工业4.0”、美国工业互联网和“中国制造2025”的核心是自动化和信息化融合。其中，工业过程在线分析检测技术(PAT)是信息化的基石，典型流程工业过程产物化学组成的PAT则是重中之重。目前，我国经济社会和科技发展对科学仪器有着迫切的需求，同时我国已经具备了科学仪器设备自主研发的氛围和基础。科学仪器的研制在支撑经济发展中，如：“中国制造2025”、工业强基工程、战略性新兴产业发展、智能制造工程等起到了很重要的作用。“工业过程在线分析检测仪器开发与应用”项目研究目标为：针对化工(有机)和选冶(无机)工业过程产物及排放物在线检测的重大需求，开发及完善在线液晶近红外光谱分析仪、过程在线质谱分析仪、在线LIBS分析仪；开发典型化工及选冶工业过程的在线检测应用方法；在典型化工及选冶工业过程实施应用示范；所开发仪器及应用方法具有自主知识产权，达到国际先进水平，实现工程化、产业化。

项目的研究成果将应用于石油、化工、冶金、矿产、能源等重要流程工业的生产过程产物和排放物，包括气体、固体、液体及混合态物质，以及有机和无机成分，常量和微量在线分析检测。近红外(NIR)适合固、液有机物的常量无损分析，过程质谱(MS)适合气体物料的微量分析，激光诱导击穿光谱(LIBS)适合矿物、金属等无机成分在线分析，这3类分析技术和仪器的应用领域可覆盖众多重要工业流程。近年来，国内在NIR、MS、LIBS等技术与装备上取得重要研究进展，在国家进一步支持下将迅速解决工程化和产业化方面的重大应用科学问题，对推动我国经济和产业发展、实现“中国制造2025”战略具有重大意义。

在仪器研发方面，在线液晶近红外光谱分析仪将采用卤素灯发光，经液晶调谐滤波波长扫描和单元近红外检测器检测，使用新型PDS模型传递方法实现模型传递的技术思路，开发新一代体积小、模型可共享、隔爆型、低成本、多用途、高性能的在线近红外分析仪。过程在线质谱分析仪将采用高品质四级杆质量分析器，实现对过程气体的多流路多组分快速分析，实现对典型化工生产工艺中多点、多组分的快速检测，节约成本，优化工艺控制。在线LIBS分析仪将采用双脉冲激光非接触式测量技术和基于图像反馈干扰校正的化学计量学方法解决高温、矿浆溅射、基体波动带来的信号稳定性差等问题，实现原位、在线、快速高精度测量。

本项目选择石油化工烃类物料组成、电力炉前煤粉质量、甲醇合成、乙烯生产、磷矿浮选、铝合金制造等典型工业生产流程进行仪器应用开发和示范应用，开发NIR、MS、LIBS的样品在线采样等前处理系统、辅助设备、信息传输系统、系统集成技术等。

在工程化和产业化方面，本项目研制的在线NIR、MS、LIBS将通过环境测试、异地测试、可靠性测试，安全性、质量控制方法标准、施工规范，达到相关国家标准，在行业应用实现标准化。依托项目研发成果和专业人才，搭建集研发+应用+企业的高水平成果转化平台，推动本项目研发的技术成果在化工、石油、有色、钢铁、矿产、能源等行业的应用。

本项目具有强大的研发团队，项目负责人于海斌研究员是国家首批“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年基金获得者，曾获全国优秀科技工作者、中国青年科技奖、中国青年科技创新杰出奖。现任中国自动化学会副理事长、全国工业过程测量控制和自动化标准委员会主任、国际自动化学会Fellow，“网络化控制系统”国家地方联合工程研究中心主任，作为负责人承担国家杰青基金、“863”计划、重大专项等10余项科研项目。李华昌研究员是我国著名冶金分析专家，现任国家重有色金属质量监督检验中心常务副主任、北京矿冶研究总院测试研究所所长、金属矿产资源评价与分析检测北京市重点实验室主任，主持并为主完成国家和省部级科研项目近30项，获各种科技奖励21项。袁洪福教授是我国在线近红外技术与装备研究领域的权威专家。项目课题负责人孙兰香、史烨弘、王召、李霞等在激光诱导击穿光谱、过程质谱、化工、在线分析等各自研究领域均承担过多项课题和多项研究成果。本项目参与人员高级职称59人，中级职称41人，初级职称12人，其它16人；博士学位17人，硕士学位59人，学士学位45人，其它7人。

项目牵头单位北京矿冶研究总院是国资委直属的中央企业，属国家首批创新型企业，是我国以矿冶科学与工程技术为主的规模最大的综合性研究与设计机构，目前已建成了“选冶过程智能检测分析技术产品的开发生产平台”，形成了矿浆品位分析技术、矿浆粒度分析技术、离子浓度分析技术、嵌入式控制技术、EMC测试技术等6个专用研发生产单元和一个仪器总装测试车间。中国科学院沈阳自动化研究所在我国率先开创了机器人研究的新领域，是机器人技术国家工程中心，承担了多项LIBS研发国家级项目。北京化工大学光谱快速检测与监测技术团队主要研究内容包括近红外分析仪器设计与集成，在石化领域有广泛应用。天津大学国家工业结晶工程技术研究中心已逐渐发展成为拥有国际一流的现代化研发平台。聚光科技(杭州)股份有限公司和上海舜宇恒平科学仪器有限公司均是我国分析检测仪器领域龙头企业，在线过程质谱的技术与装备均处于国内领先地位，具备高端检测技术与产品的研发能力，以及丰富的应用工程和产业化经验。在生产厂地、人员素质、设备产能、质量工艺管理及公司的物料供应链管理、过程控制等方面均能为本项目的顺利实施提供保障。云南磷化集团有限公司是我国最大的磷化工企业，辽宁忠旺集团有限公司是我国铝合金制造大型民营企业，将在本项目中参与在线分析仪器应用示范建设。

本项目的实施将打破多个领域国内仪器应用的空白，将大幅度提高制造业生产水平，节约生产成本，提高产品质量，减少三废排放，产生重大的社会及经济效益。项目执行期间即可产生经济效益，验收后3年内年销售达到50套，直接销售额达6900万元/年，间接经济效益达10亿元/年。