智能光谱过程分析技术助力打造智慧石化——访北京化工大学教授袁洪福

□ 本刊记者 许帆婷

大力发展和应用智能光谱过程分析技术，实现原油加工方案制定和炼油工艺及下游化工工艺生产过程的智能化，是智慧石化未来发展的重要方向。

访谈人名片：袁洪福，北京化工大学教授，博导，中国仪器仪表学会近红外光谱分会理事长。长期从事分析仪器、化学计量学和应用研究。主持开发基于液相色谱、近红外光谱、红外光谱、拉曼、LIBS、紫外和化学计量学的系列分析仪器和软件成果，应用于石化、国防、农业、烟草、食品、质检等领域，取得显著的经济和社会效益。

随着我国工业化步伐的加快，近年来我国分析技术领域创新不断显现，在石化、农业、质检等领域发挥越来越重要的作用。智能光谱过程分析技术作为人工智能和智能制造技术的核心技术之一，在我国已获得长足进步，有的达到世界领先水平。

分析技术的进步对石化行业向智能化、信息化转变有什么现实意义？本刊记者近期采访了北京化工大学智能光谱过程分析技术实验室袁洪福教授。

从石油化工起步

记者：您从事分析化学的研究工作，最初是从石油化工行业起步的。当时你们为什么要进行近红外光谱的分析研究？

袁洪福：1993年，我在石油化工科学研究院的分析研究室工作，与导师陆婉珍院士一起组建了近红外光谱分析技术研究团队。

袁洪福教授（右）指导研究人员进行光谱分析。袁洪福 供图

当时，化验室是炼厂中人数最多的一个部门。炼厂每天要分析的样本种类很多，且一种样本（如汽油）要分析很多性质，不同性质需要采用不同方法、不同仪器分析，工作量很大。作为流程工业，从装置取样到化验室，再回到装置，一般是4个小时。这样，数据出来以后，加工的物料早就不在当前流程中了。因此，传统分析技术已经难以适应当时石油炼制工业的高速发展。我们的初衷是想寻求一种快速检测分析的方法。国外与我们同等规模的炼厂，从事分析的人员比我们少很多。当时他们采用的近红外分析技术已经比较成熟了。1993年，我们通过调研决定开始从事近红外分析研究。遇到的第一个问题是仪器的困难，进口的近红外仪器很贵，我们只好自己设计，请仪器厂家帮忙生产。随后，我们也开发出国内第一版中文化学计量学软件，针对石油产品快速分析开发的近红外光谱仪器，广泛用于石油工业和国防等行业，提高了化验室效率。

2000年后，我们开始研制在线近红外分析系统，通过光纤直接测量装置加工物料的关键性质（如辛烷值、烃族组成等），实时分析结果直接传输至装置控制系统。第一套国产在线近红外光谱仪应用在炼厂连续催化重整装置上，后来又用到汽油调和、蒸汽裂解、MTBE生产装置上。直到2006年我离开石科院时，做了十几套在线近红外分析系统，这些装置有的现在仍在使用。

光谱过程分析技术不仅可以用于石油化工，为了向制药、农业、食品、纺织、质检、国防等多个领域拓展研究，2006年我离开石科院，来北京化工大学工作。

记者：为什么当时要选取近红外光谱作为分析技术？

袁洪福：首先，光谱分析的特点是获取信号非常快，可以快到几秒甚至几毫秒。传统采用的很多方法，比如色谱、质谱、核磁、电镜等，分析设备昂贵、分析时间过长，比如沥青蜡含量测定时间约2天，天然产物蛋白约几个小时，严重滞后于制造过程质量控制的需求。

光谱是物质的属性，反映的是物质的组成。从理论上讲，一个物质的属性是多样的，但是它的组成和结构是确定的。当物质组成和结构这一内因发生变化时，它的属性也就变了。我们的工作就是利用这一相关关系，确立起物质属性和光谱之间的函数关系。只要输入一张光谱（变量），就能很快得出属性。假如我们建立了光谱与多种性质的函数关系，那么输入一个光谱就能同时测得物质的多种性质，既可以定性分析，也可以定量分析。采用不同的光谱信号，可以实现有机、无机、常量、微量物质的快速分析。因此，光谱分析法在中控分析上可以替代原来的许多种方法，显著提高分析效率和降低成本。

近红外光谱的优点是可以穿透普通玻璃，因此测量很方便，在样品制备方面没有太多要求。随着仪器技术的发展，可以方便地获取液态、固态、气态，甚至等离子态物质的光谱，可以获取处于静止、移动、透明和不透明，均匀与不均匀，高低温（压）等状态下样品光谱，其应用范围非常广泛。

智能制造的核心在于信息感知

记者：您在此基础上提出的“智能光谱过程分析技术”是一种什么样的概念？

袁洪福：目前，人工智能、智能制造已成为全球竞争最为激烈的技术制高点，人工智能和智能制造的创新发展具有弯道超车的作用，我国也将其列入国家发展战略。不同行业智能制造的内涵有所不同，但概念是相同的，即智能制造是信息化和自动化的融合。无论人工智能还是智能制造都是以信息化为前提的，而信息化的核心则是信息感知技术。

对于原料经过加工生成产品的工业制造过程，最重要的信息是物质（原料、中间产物、产品）的组成和性质数据。对于复杂物质如石油、天然气等矿物，其组成和多种性质的测定涉及使用很多种分析方法和昂贵分析设备，分析时间过长，信息化的难度高。流程工业（如石化、制药等）的智能制造最急需发展的信息感知技术，则是复杂物质组成及多性质的快速、高通量和无损的检测技术，智能光谱过程分析技术就是这样一种信息感知技术。

记者：既然是用于测定物质属性的技术，为什么您称之为“过程”分析？

袁洪福：智能光谱过程分析技术这一概念涉及“过程分析”“光谱”和“智能”特征。与传统定义不同，这里的“过程分析”是广义的，包括原料、加工、物流和消费等众多环节。根据不同的需要，能够提供手持、便携、专用、在线等多种形式，为各个环节的控制和管理提供服务。

“光谱”是指不同波段的电磁波，包括分子光谱、电子光谱、等离子体发射光谱、原子核谱、X射线等，从电子、原子、分子水平反映物质组成与结构信息，是理想的分析信息载体，并且都具有快速和无损的特点。“智能”则是发挥计算机处理数据能力强和数据库信息量大的优势，使分析设备获得自动识别和定量的功能，可同时快速测定物质的多种性质。智能光谱过程分析技术由仪器，软件和数据库等组成，满足上述广义“过程”对分析的“快速”需求。

记者：为什么在工业过程中快速分析越来越重要？

袁洪福：随着大型工业装置的优化，只有知道被加工的物料、中间产品、最终产品的性质，才能够更好地控制工艺、操作变量。工厂的进料组成不是不变的，比如我国的炼厂加工原油进口比例在60%以上，油品成分的变化很大，这个矛盾会越来越突出；再比如催化裂化装置，将来自多种装置的重质组分转化为轻质组分，其进料的变化比较大，装置操作优化难度很大。装置进料、产品和操作条件三者是存在关系的。只有建立起这种关系，选择最佳的操作条件，才能实现生产最优化，与常规操作相比，能明显提高装置的经济效益。

记者：您可以举一个实际应用的例子吗？

袁洪福：桑蚕产业在我国具有悠久的历史，有辉煌的丝绸之路文化。目前在国际桑蚕业领域，我国依然处于领先的地位。现在养蚕使用杂交技术提高蚕丝质量和产量，生产的第一道工序是分选活体雌雄蚕蛹。每公斤蚕蛹500～600枚，我国最大桑蚕制种企业在生产季节每天需要分选8吨蚕蛹，传统依靠人工观测蚕蛹器官手动分选，随着社会发展，这种季节性大量用工出现严重的人力资源短缺，桑蚕业发展遇到了空前的挑战。我们与某科技公司合作攻关，自2015开始，用3年时间解决了这个技术难题，采用智能光谱过程分析技术，开发了高速活体雌雄蚕蛹自动分选系统，分选速度每秒7～8枚，正确率大于98%，单台设备分选能力为1吨/天，属世界首创技术，使桑蚕业生产技术发生了革命性的改变。

智能光谱过程分析技术发展前景远大

记者：您从事分析技术研究是从石油化工领域开始的，回到这一领域，您认为智能光谱过程分析技术未来在石油化工领域还有很大发展空间吗？

袁洪福：现在大力提倡建设“智能炼厂”。我的理解是，智能炼厂是智能制造在石化行业的具体化。智能炼厂的智能化内涵很多，其中“管理”“安全”智能化相对成熟，最需要发展和研究的还是使原油获得最合理炼制的智能化。这个目标应该通过最佳的炼制方案制定和最佳的生产工艺操作的智能化实现。

为获得最佳炼制方案，炼化行业提出“分子炼油”。原油的成分非常复杂，每一种分子在石油炼制工艺过程中的行为是不一样的。分子炼油就是要从分子水平搞清楚原油的组成结构，判断原料适合生产什么产品、如何加工。目前，对轻油的单分子水平分析做得还不错，但重油的分子水平分析做得还不太到位，因为重油的成分太复杂了。目前使用大型仪器如质谱、核磁、ICP-MS、能谱等可以获取丰富的分子或原子水平组成及结构信息，对原油进行分子表征、建立原油信息数据库，是实现分子炼油的技术基础，对智能炼制方案制定和炼油工艺设计非常重要。但是，面对组成变化日益频繁的原油品种，如何将原油信息数据库快速地用于最佳炼制方案制定，还需要一个桥梁，这个桥梁就是智能光谱过程分析技术。

原油最佳炼制方案的落实，还须依靠最佳的生产工艺操作，即在炼油过程中实施APC（先进过程控制）。APC在工业上应用已经有很多年了。APC运行需要输入进料、中间产物和产品的关键性质，使用优化模型实时选择最佳操作条件，控制装置运行，实现生产过程最优化。对于这些关键性质的获取，目前APC大多依靠软仪表，即根据现有装置条件和温度压力等对应关系拟合，一旦物料发生变化，软仪表就失灵了。而且，还有很多复杂物料或苛刻状态的物料关键性质缺少实时分析技术。因此，真正的过程优化，必须建立在智能光谱过程分析技术基础上。我认为大力发展和应用智能光谱过程分析技术，实现原油加工方案制定和炼油工艺及下游化工工艺生产过程的智能化，是智慧石化未来发展的重要方向。

记者：智能过程分析技术未来的推广和发展还需要做好哪些事？

袁洪福：从1993年开始，我投入全部精力在各个方面推动智能光谱过程分析技术的进步。不仅在方法学上，还从应用、仪器设备、信息处理等多学科交叉的角度推进，要为用户提供完整的解决方案。要推广技术，人才是关键。我把过去的方法、资源、经验总结起来，在应用和研究、制造中培养一大批年轻人。

我始终认为，要讲好故事，一定不能停留在嘴上，要用实际行动把故事写出来。这几年，智能光谱过程分析的发展速度很快，这与我国经济高速发展的形势是相关的。我离开石化很多年了，最近几年又开始做石化，因为石化行业有规模效应，应用效果比较突出。还有很多领域我们也做得不错，比如农业上的蚕蛹、玉米的分选等。我们的创新成果不断显现出来，有的领域还走在世界的前端，这让我感到自豪。

另外，智能光谱过程分析技术在控制质量和降低成本应用方面具有特殊优势，能够增强企业的市场竞争能力，显著提升质检机构检测能力，使质量检测更加准确和快捷，对建立公平、健康、和谐社会具有重要作用。