基于紅外光譜的汽油組分分析

中國標準（GB17930-2016、GB19147-2016、GB253）為燃油（包括汽油、柴油和噴氣燃料）的質(zhì)量和性能設(shè)定了詳細的指標要求，確保其在燃燒效率、能源輸出、質(zhì)量穩(wěn)定性和環(huán)保性能方面達到高水平。

對于汽油而言，GB17930-2016標準涵蓋了多項關(guān)鍵指標，包括辛烷值、燃燒值、甲醇、蒸汽壓、硫含量、苯含量、飽和烴含量、芳烴含量、烯烴含量等。其中辛烷值是汽油抗爆性的關(guān)鍵參數(shù)，對引擎高速運轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性至關(guān)重要。此外，隨著燃油環(huán)保標準的日益嚴格，監(jiān)測烴類含量（包括甲醇和乙醇）變得十分必要，汽油中添加甲醇和乙醇不*可以有效減少尾氣排放，還對環(huán)保產(chǎn)生積極影響。

01辛烷值的檢測

汽油辛烷值是衡量汽油在氣缸內(nèi)抗爆震燃燒能力的一種數(shù)字指標，其值越高意味著抗爆性越好，紅外光譜技術(shù)為汽油中辛烷值的檢測提供了一種快速、可靠的手段。通過準確測定辛烷值，研究人員和工程師能夠更好地了解汽油的**性能，為優(yōu)化引擎設(shè)計、提高燃燒效率以及減少尾氣排放等方面提供重要信息。因此，在汽油質(zhì)量控制和引擎性能優(yōu)化的過程中，紅外光譜檢測汽油中的辛烷值具有重要作用。

通過113個汽油樣本的光譜數(shù)據(jù)，建立預(yù)測模型。實驗結(jié)果顯示，預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)R_p²為1.0184，均方根誤差(RMSE)為0.4639，表明該方法能有效預(yù)測汽油辛烷值，具有操作簡便和分析速度快的優(yōu)點。

而針對工業(yè)汽油成品辛烷值難以實時獲取的問題，可以基于孤立森林的數(shù)據(jù)清洗和主成分分析法（PCA）建立辛烷值預(yù)測模型。該模型利用大型石化企業(yè)的真實數(shù)據(jù)，選取36個高相關(guān)特征，通過SVM和高斯核函數(shù)訓練，優(yōu)化模型參數(shù)。結(jié)果顯示，模型的決定系數(shù)為84.36%，平均誤差為0.169，有效預(yù)測汽油成品辛烷值。

為提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度和穩(wěn)定性，改進的自適應(yīng)混沌果蠅優(yōu)化算法(CDFOA)，通過引入混沌映射、判別因子和變步長機制優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值和閾值。構(gòu)建了CDFOA優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CDFOA-BP）模型，用于預(yù)測汽油辛烷值。利用60組數(shù)據(jù)測試，CDFOA-BP在精度和穩(wěn)定性上優(yōu)于傳統(tǒng)BP及其他三種優(yōu)化模型，證明了其有效性和可行性。

CDFOA-BP和其他四種模型比較（左）以及RF（右）預(yù)測汽油中的辛烷值含量

此外基于RF回歸算法的汽油辛烷值預(yù)測方法，利用汽油質(zhì)量數(shù)據(jù)庫中的實測數(shù)據(jù)，以烯烴含量、芳烴含量、氧含量、餾程和密度為自變量，建立92號、95號和（92號+95號）汽油的預(yù)測模型。結(jié)果顯示92號和95號模型的預(yù)測精度較高，決定系數(shù)均達到0.95以上，森林預(yù)測預(yù)測汽油辛烷值。應(yīng)用這兩個模型進行辛烷值預(yù)測，即使油品質(zhì)量升級，模型仍然保持高精度。

02甲醇和乙醇含量檢測

甲醇作為添加劑可提高汽油辛烷值，改善燃燒性能。紅外光譜通過測量樣品在紅外光波段的吸收光譜，準確識別和定量有機物質(zhì)。用近紅外光譜分析甲醇汽油檢測，優(yōu)于常規(guī)方法，具快速、高靈敏等優(yōu)點。采用S-G卷積平滑算法，得出**模型決定系數(shù)0.99898。均方根誤差RMSE*0.32284%，準確性高，滿足實際應(yīng)用需求。

乙醇作為可再生能源，在汽油中添加有助于提高抗爆性能和符合環(huán)保標準，而紅外光譜技術(shù)同樣在檢測乙醇含量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)和主成分分析（PCA）、PLS分析方法對乙醇汽油進行分類，準確測量乙醇含量，其交叉檢驗均方根誤差為1.35%(V/V)。

PLS預(yù)測汽油甲醇(左)和乙醇(右)含量的散點圖

03芳烴和烯烴的檢測

檢測燃油中的芳烴和烯烴含量對于燃油品質(zhì)的評估至關(guān)重要，因為這兩種成分直接關(guān)系到燃油的燃燒性能和環(huán)保性能。芳烴和烯烴是燃油中的兩個主要組成部分，它們的含量不*影響著燃油的能量釋放和燃燒效率，還直接關(guān)系到引擎的運行穩(wěn)定性和尾氣排放的環(huán)保性。

在一項研究中，通過結(jié)合紅外光譜技術(shù)和計算機技術(shù)，建立了車用汽油芳烴和烯烴的數(shù)據(jù)庫。通過譜線匹配和多元線性回歸，它們能夠快速、準確地測定汽油中的芳烴和烯烴含量。實驗證明，隨著數(shù)據(jù)庫區(qū)域樣本量的增加，中紅外光譜儀檢測的數(shù)據(jù)準確性提高，標準偏差減小，且該方法使用成本低、操作簡單、檢測速度快，可作為傳統(tǒng)方法的有效補充。這一方法為提高汽油質(zhì)量檢測的效率提供了有力的支持。

93#號汽油模型預(yù)測值與經(jīng)典方法測定值的相關(guān)圖

紅外光譜為燃油質(zhì)量評估提供了一種高效、準確的分析手段，通過采用多元統(tǒng)計分析方法，可以實現(xiàn)一次性對燃油的關(guān)鍵組分如辛烷值、十六烷值、甲醇和乙醇含量以及芳烴和烯烴等含量的快速準確測定，從而**優(yōu)化了燃油的質(zhì)量控制流程。隨著光譜技術(shù)的進一步完善和分析方法的不斷優(yōu)化，紅外光譜技術(shù)在燃油檢測和分析領(lǐng)域的應(yīng)用將更加**，對石油化工行業(yè)的發(fā)展將產(chǎn)生更深遠的影響。