□ 本刊記者 許帆婷

大力發(fā)展和應(yīng)用智能光譜過程分析技術(shù)，實現(xiàn)原油加工方案制定和煉油工藝及下游化工工藝生產(chǎn)過程的智能化，是智慧石化未來發(fā)展的重要方向。

訪談人名片：袁洪福，北京化工大學(xué)教授，博導(dǎo)，中國儀器儀表學(xué)會近紅外光譜分會理事長。長期從事分析儀器、化學(xué)計量學(xué)和應(yīng)用研究。主持開發(fā)基于液相色譜、近紅外光譜、紅外光譜、拉曼、LIBS、紫外和化學(xué)計量學(xué)的系列分析儀器和軟件成果，應(yīng)用于石化、國防、農(nóng)業(yè)、煙草、食品、質(zhì)檢等領(lǐng)域，取得顯著的經(jīng)濟和社會效益。

隨著我國工業(yè)化步伐的加快，近年來我國分析技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新不斷顯現(xiàn)，在石化、農(nóng)業(yè)、質(zhì)檢等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。智能光譜過程分析技術(shù)作為人工智能和智能制造技術(shù)的核心技術(shù)之一，在我國已獲得長足進步，有的達到世界領(lǐng)先水平。

分析技術(shù)的進步對石化行業(yè)向智能化、信息化轉(zhuǎn)變有什么現(xiàn)實意義？本刊記者近期采訪了北京化工大學(xué)智能光譜過程分析技術(shù)實驗室袁洪福教授。

從石油化工起步

記者：您從事分析化學(xué)的研究工作，最初是從石油化工行業(yè)起步的。當(dāng)時你們?yōu)槭裁匆M行近紅外光譜的分析研究？

袁洪福：1993年，我在石油化工科學(xué)研究院的分析研究室工作，與導(dǎo)師陸婉珍院士一起組建了近紅外光譜分析技術(shù)研究團隊。

袁洪福教授（右）指導(dǎo)研究人員進行光譜分析。袁洪福 供圖

當(dāng)時，化驗室是煉廠中人數(shù)最多的一個部門。煉廠每天要分析的樣本種類很多，且一種樣本（如汽油）要分析很多性質(zhì)，不同性質(zhì)需要采用不同方法、不同儀器分析，工作量很大。作為流程工業(yè)，從裝置取樣到化驗室，再回到裝置，一般是4個小時。這樣，數(shù)據(jù)出來以后，加工的物料早就不在當(dāng)前流程中了。因此，傳統(tǒng)分析技術(shù)已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)時石油煉制工業(yè)的高速發(fā)展。我們的初衷是想尋求一種快速檢測分析的方法。國外與我們同等規(guī)模的煉廠，從事分析的人員比我們少很多。當(dāng)時他們采用的近紅外分析技術(shù)已經(jīng)比較成熟了。1993年，我們通過調(diào)研決定開始從事近紅外分析研究。遇到的第一個問題是儀器的困難，進口的近紅外儀器很貴，我們只好自己設(shè)計，請儀器廠家?guī)兔ιa(chǎn)。隨后，我們也開發(fā)出國內(nèi)第一版中文化學(xué)計量學(xué)軟件，針對石油產(chǎn)品快速分析開發(fā)的近紅外光譜儀器，廣泛用于石油工業(yè)和國防等行業(yè)，提高了化驗室效率。

2000年后，我們開始研制在線近紅外分析系統(tǒng)，通過光纖直接測量裝置加工物料的關(guān)鍵性質(zhì)（如辛烷值、烴族組成等），實時分析結(jié)果直接傳輸至裝置控制系統(tǒng)。第一套國產(chǎn)在線近紅外光譜儀應(yīng)用在煉廠連續(xù)催化重整裝置上，后來又用到汽油調(diào)和、蒸汽裂解、MTBE生產(chǎn)裝置上。直到2006年我離開石科院時，做了十幾套在線近紅外分析系統(tǒng)，這些裝置有的現(xiàn)在仍在使用。

光譜過程分析技術(shù)不僅可以用于石油化工，為了向制藥、農(nóng)業(yè)、食品、紡織、質(zhì)檢、國防等多個領(lǐng)域拓展研究，2006年我離開石科院，來北京化工大學(xué)工作。

記者：為什么當(dāng)時要選取近紅外光譜作為分析技術(shù)？

袁洪福：首先，光譜分析的特點是獲取信號非?？欤梢钥斓綆酌肷踔翈缀撩?。傳統(tǒng)采用的很多方法，比如色譜、質(zhì)譜、核磁、電鏡等，分析設(shè)備昂貴、分析時間過長，比如瀝青蠟含量測定時間約2天，天然產(chǎn)物蛋白約幾個小時，嚴(yán)重滯后于制造過程質(zhì)量控制的需求。

光譜是物質(zhì)的屬性，反映的是物質(zhì)的組成。從理論上講，一個物質(zhì)的屬性是多樣的，但是它的組成和結(jié)構(gòu)是確定的。當(dāng)物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)這一內(nèi)因發(fā)生變化時，它的屬性也就變了。我們的工作就是利用這一相關(guān)關(guān)系，確立起物質(zhì)屬性和光譜之間的函數(shù)關(guān)系。只要輸入一張光譜（變量），就能很快得出屬性。假如我們建立了光譜與多種性質(zhì)的函數(shù)關(guān)系，那么輸入一個光譜就能同時測得物質(zhì)的多種性質(zhì)，既可以定性分析，也可以定量分析。采用不同的光譜信號，可以實現(xiàn)有機、無機、常量、微量物質(zhì)的快速分析。因此，光譜分析法在中控分析上可以替代原來的許多種方法，顯著提高分析效率和降低成本。

近紅外光譜的優(yōu)點是可以穿透普通玻璃，因此測量很方便，在樣品制備方面沒有太多要求。隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，可以方便地獲取液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài)，甚至等離子態(tài)物質(zhì)的光譜，可以獲取處于靜止、移動、透明和不透明，均勻與不均勻，高低溫（壓）等狀態(tài)下樣品光譜，其應(yīng)用范圍非常廣泛。

智能制造的核心在于信息感知

記者：您在此基礎(chǔ)上提出的“智能光譜過程分析技術(shù)”是一種什么樣的概念？

袁洪福：目前，人工智能、智能制造已成為全球競爭最為激烈的技術(shù)制高點，人工智能和智能制造的創(chuàng)新發(fā)展具有彎道超車的作用，我國也將其列入國家發(fā)展戰(zhàn)略。不同行業(yè)智能制造的內(nèi)涵有所不同，但概念是相同的，即智能制造是信息化和自動化的融合。無論人工智能還是智能制造都是以信息化為前提的，而信息化的核心則是信息感知技術(shù)。

對于原料經(jīng)過加工生成產(chǎn)品的工業(yè)制造過程，最重要的信息是物質(zhì)（原料、中間產(chǎn)物、產(chǎn)品）的組成和性質(zhì)數(shù)據(jù)。對于復(fù)雜物質(zhì)如石油、天然氣等礦物，其組成和多種性質(zhì)的測定涉及使用很多種分析方法和昂貴分析設(shè)備，分析時間過長，信息化的難度高。流程工業(yè)（如石化、制藥等）的智能制造最急需發(fā)展的信息感知技術(shù)，則是復(fù)雜物質(zhì)組成及多性質(zhì)的快速、高通量和無損的檢測技術(shù)，智能光譜過程分析技術(shù)就是這樣一種信息感知技術(shù)。

記者：既然是用于測定物質(zhì)屬性的技術(shù)，為什么您稱之為“過程”分析？

袁洪福：智能光譜過程分析技術(shù)這一概念涉及“過程分析”“光譜”和“智能”特征。與傳統(tǒng)定義不同，這里的“過程分析”是廣義的，包括原料、加工、物流和消費等眾多環(huán)節(jié)。根據(jù)不同的需要，能夠提供手持、便攜、專用、在線等多種形式，為各個環(huán)節(jié)的控制和管理提供服務(wù)。

“光譜”是指不同波段的電磁波，包括分子光譜、電子光譜、等離子體發(fā)射光譜、原子核譜、X射線等，從電子、原子、分子水平反映物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)信息，是理想的分析信息載體，并且都具有快速和無損的特點?！爸悄堋眲t是發(fā)揮計算機處理數(shù)據(jù)能力強和數(shù)據(jù)庫信息量大的優(yōu)勢，使分析設(shè)備獲得自動識別和定量的功能，可同時快速測定物質(zhì)的多種性質(zhì)。智能光譜過程分析技術(shù)由儀器，軟件和數(shù)據(jù)庫等組成，滿足上述廣義“過程”對分析的“快速”需求。

記者：為什么在工業(yè)過程中快速分析越來越重要？

袁洪福：隨著大型工業(yè)裝置的優(yōu)化，只有知道被加工的物料、中間產(chǎn)品、最終產(chǎn)品的性質(zhì)，才能夠更好地控制工藝、操作變量。工廠的進料組成不是不變的，比如我國的煉廠加工原油進口比例在60%以上，油品成分的變化很大，這個矛盾會越來越突出；再比如催化裂化裝置，將來自多種裝置的重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)組分，其進料的變化比較大，裝置操作優(yōu)化難度很大。裝置進料、產(chǎn)品和操作條件三者是存在關(guān)系的。只有建立起這種關(guān)系，選擇最佳的操作條件，才能實現(xiàn)生產(chǎn)最優(yōu)化，與常規(guī)操作相比，能明顯提高裝置的經(jīng)濟效益。

記者：您可以舉一個實際應(yīng)用的例子嗎？

袁洪福：桑蠶產(chǎn)業(yè)在我國具有悠久的歷史，有輝煌的絲綢之路文化。目前在國際桑蠶業(yè)領(lǐng)域，我國依然處于領(lǐng)先的地位?，F(xiàn)在養(yǎng)蠶使用雜交技術(shù)提高蠶絲質(zhì)量和產(chǎn)量，生產(chǎn)的第一道工序是分選活體雌雄蠶蛹。每公斤蠶蛹500～600枚，我國最大桑蠶制種企業(yè)在生產(chǎn)季節(jié)每天需要分選8噸蠶蛹，傳統(tǒng)依靠人工觀測蠶蛹器官手動分選，隨著社會發(fā)展，這種季節(jié)性大量用工出現(xiàn)嚴(yán)重的人力資源短缺，桑蠶業(yè)發(fā)展遇到了空前的挑戰(zhàn)。我們與某科技公司合作攻關(guān)，自2015開始，用3年時間解決了這個技術(shù)難題，采用智能光譜過程分析技術(shù)，開發(fā)了高速活體雌雄蠶蛹自動分選系統(tǒng)，分選速度每秒7～8枚，正確率大于98%，單臺設(shè)備分選能力為1噸/天，屬世界首創(chuàng)技術(shù)，使桑蠶業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了革命性的改變。

智能光譜過程分析技術(shù)發(fā)展前景遠大

記者：您從事分析技術(shù)研究是從石油化工領(lǐng)域開始的，回到這一領(lǐng)域，您認(rèn)為智能光譜過程分析技術(shù)未來在石油化工領(lǐng)域還有很大發(fā)展空間嗎？

袁洪福：現(xiàn)在大力提倡建設(shè)“智能煉廠”。我的理解是，智能煉廠是智能制造在石化行業(yè)的具體化。智能煉廠的智能化內(nèi)涵很多，其中“管理”“安全”智能化相對成熟，最需要發(fā)展和研究的還是使原油獲得最合理煉制的智能化。這個目標(biāo)應(yīng)該通過最佳的煉制方案制定和最佳的生產(chǎn)工藝操作的智能化實現(xiàn)。

為獲得最佳煉制方案，煉化行業(yè)提出“分子煉油”。原油的成分非常復(fù)雜，每一種分子在石油煉制工藝過程中的行為是不一樣的。分子煉油就是要從分子水平搞清楚原油的組成結(jié)構(gòu)，判斷原料適合生產(chǎn)什么產(chǎn)品、如何加工。目前，對輕油的單分子水平分析做得還不錯，但重油的分子水平分析做得還不太到位，因為重油的成分太復(fù)雜了。目前使用大型儀器如質(zhì)譜、核磁、ICP-MS、能譜等可以獲取豐富的分子或原子水平組成及結(jié)構(gòu)信息，對原油進行分子表征、建立原油信息數(shù)據(jù)庫，是實現(xiàn)分子煉油的技術(shù)基礎(chǔ)，對智能煉制方案制定和煉油工藝設(shè)計非常重要。但是，面對組成變化日益頻繁的原油品種，如何將原油信息數(shù)據(jù)庫快速地用于最佳煉制方案制定，還需要一個橋梁，這個橋梁就是智能光譜過程分析技術(shù)。

原油最佳煉制方案的落實，還須依靠最佳的生產(chǎn)工藝操作，即在煉油過程中實施APC（先進過程控制）。APC在工業(yè)上應(yīng)用已經(jīng)有很多年了。APC運行需要輸入進料、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的關(guān)鍵性質(zhì)，使用優(yōu)化模型實時選擇最佳操作條件，控制裝置運行，實現(xiàn)生產(chǎn)過程最優(yōu)化。對于這些關(guān)鍵性質(zhì)的獲取，目前APC大多依靠軟儀表，即根據(jù)現(xiàn)有裝置條件和溫度壓力等對應(yīng)關(guān)系擬合，一旦物料發(fā)生變化，軟儀表就失靈了。而且，還有很多復(fù)雜物料或苛刻狀態(tài)的物料關(guān)鍵性質(zhì)缺少實時分析技術(shù)。因此，真正的過程優(yōu)化，必須建立在智能光譜過程分析技術(shù)基礎(chǔ)上。我認(rèn)為大力發(fā)展和應(yīng)用智能光譜過程分析技術(shù)，實現(xiàn)原油加工方案制定和煉油工藝及下游化工工藝生產(chǎn)過程的智能化，是智慧石化未來發(fā)展的重要方向。

記者：智能過程分析技術(shù)未來的推廣和發(fā)展還需要做好哪些事？

袁洪福：從1993年開始，我投入全部精力在各個方面推動智能光譜過程分析技術(shù)的進步。不僅在方法學(xué)上，還從應(yīng)用、儀器設(shè)備、信息處理等多學(xué)科交叉的角度推進，要為用戶提供完整的解決方案。要推廣技術(shù)，人才是關(guān)鍵。我把過去的方法、資源、經(jīng)驗總結(jié)起來，在應(yīng)用和研究、制造中培養(yǎng)一大批年輕人。

我始終認(rèn)為，要講好故事，一定不能停留在嘴上，要用實際行動把故事寫出來。這幾年，智能光譜過程分析的發(fā)展速度很快，這與我國經(jīng)濟高速發(fā)展的形勢是相關(guān)的。我離開石化很多年了，最近幾年又開始做石化，因為石化行業(yè)有規(guī)模效應(yīng)，應(yīng)用效果比較突出。還有很多領(lǐng)域我們也做得不錯，比如農(nóng)業(yè)上的蠶蛹、玉米的分選等。我們的創(chuàng)新成果不斷顯現(xiàn)出來，有的領(lǐng)域還走在世界的前端，這讓我感到自豪。

另外，智能光譜過程分析技術(shù)在控制質(zhì)量和降低成本應(yīng)用方面具有特殊優(yōu)勢，能夠增強企業(yè)的市場競爭能力，顯著提升質(zhì)檢機構(gòu)檢測能力，使質(zhì)量檢測更加準(zhǔn)確和快捷，對建立公平、健康、和諧社會具有重要作用。