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    隨著對低碳排放燃料需求的不斷上升，資源豐富的生物燃料工藝設(shè)計(jì)，例如，玉米、甘蔗、藻類以及纖維素等合成生物柴油、生物乙醇、合成氣和沼氣等設(shè)計(jì)，正變得更具吸引力和更高收益。可燃生物燃料作為現(xiàn)有石油和天然氣能源基礎(chǔ)設(shè)施的碳平衡替代燃料，吸引了持續(xù)的投資興趣。近日，美國低成本天然氣和致密頁巖油的涌入改變了生物燃料的經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，給工藝工程師帶來了壓力，促使工程師進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。利用包含經(jīng)濟(jì)、能源和換熱器設(shè)計(jì)的流程模擬工具進(jìn)行生物燃料生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，優(yōu)化過程能源消耗和成本，不僅能獲得更佳的設(shè)計(jì)方案，而且還縮短了時(shí)間周期。

    隨著生物能源的發(fā)展，一系列設(shè)計(jì)難題也涌現(xiàn)出來。首要的是證明技術(shù)可行性和盈利能力，然后是詳細(xì)設(shè)計(jì)和吸引資本投資。其他難題包括替代作物和纖維素乙醇研究帶來突飛猛進(jìn)的工藝創(chuàng)新，以及優(yōu)化原料選擇壓力和確保裝置設(shè)計(jì)適應(yīng)變化的靈活性問題。為了進(jìn)一步確保盈利能力，許多過程也必須結(jié)合生產(chǎn)盈利的副產(chǎn)品，包括動(dòng)物飼料和化學(xué)品。從加工原料、控制最終產(chǎn)品到設(shè)備選型、成本核算，過程模擬貫穿于整個(gè)生物燃料設(shè)計(jì)的全過程，包括從研發(fā)到概念設(shè)計(jì)，再到工程和采購。

    用戶利用過程模擬工具設(shè)計(jì)生物燃料各工藝模型，從而比較并篩選出利潤更好且更為靈活的設(shè)計(jì)方案。生物燃料加工的整個(gè)過程，如原料預(yù)處理、轉(zhuǎn)換（如水解、糖化作用和發(fā)酵）、乙醇脫水、生物質(zhì)氣化以及甘油三酸酯的酯交換反應(yīng)等，均可在過程模擬工具中進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。用戶可從整個(gè)工藝的可視化和優(yōu)化中獲得收益，而不是單獨(dú)的某一過程。 這個(gè)設(shè)計(jì)是模塊化的，從而便于研究不同單元和技術(shù)在整體過程中的影響。采用數(shù)據(jù)庫中穩(wěn)定和可靠的物性數(shù)據(jù)，例如，選用全面且先進(jìn)的美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）數(shù)據(jù)庫，可提高模型的保真度。此外，過程模擬還可以進(jìn)行優(yōu)化研究，確定最佳的操作條件，同時(shí)考慮工藝限制條件，如：產(chǎn)物水含量或容器溫度。用戶還可在相同的工藝條件下，測試不同的原料和原料混合方案。有了這些功能，用戶就可以開發(fā)出更高質(zhì)量的模型，預(yù)測裝置放大和經(jīng)濟(jì)性，而無需擔(dān)心缺乏技術(shù)可行性。

    化工過程建模已經(jīng)有30多年的歷史，一直為很多工業(yè)部門提供以模型為中心的集成解決方案。迄今為止，用戶已將模型廣泛用于玉米淀粉裝置、干濕磨玉米制乙醇過程、纖維素制乙醇過程以及生物質(zhì)氣化過程。此外，過程模擬還廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)重要乙醇的過程，包括水解作用、糖化作用、發(fā)酵、蒸餾和脫水、副產(chǎn)品回收和pH值控制等。 圖1為玉米制乙醇裝置模擬的范例。大部分原料以固態(tài)形式進(jìn)入生物燃料處理裝置（包括玉米、吹掃氣、甘蔗等），使得工廠操作面臨著挑戰(zhàn)。過程模擬工具集成了固體建模功能，因此用戶可采用更精確的原料處理設(shè)備模型，如破碎機(jī)和研磨機(jī)處理固體原料，并利用離心分離和干燥等設(shè)備模塊建立液體/固體分離模型。

                           圖1：包含經(jīng)濟(jì)分析的玉米制乙醇過程模擬

    如今，市場上有多種過程模擬工具。根據(jù)不同的供應(yīng)商，用戶可采用集成的過程工程工具進(jìn)行生物燃料工藝設(shè)計(jì)過程。這些集成工具可為過程模擬帶來能源優(yōu)化、換熱器嚴(yán)格設(shè)計(jì)和核算以及成本估算工具。利用集成能源優(yōu)化軟件，用戶可評(píng)估換熱網(wǎng)絡(luò)來增加熱量回收，并通過有效評(píng)估不同設(shè)施類型的成本效率，進(jìn)而將操作成本降至最低。采用過程模擬集成換熱器嚴(yán)格設(shè)計(jì)和核算工具，用戶可直接進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)并進(jìn)行評(píng)估，利用此設(shè)計(jì)增加流程精確度，并檢查換熱器的操作風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)警，包括振動(dòng)、污垢以及過量的操作溫度和壓力。使用集成的經(jīng)濟(jì)評(píng)估工具，用戶可在更短時(shí)間內(nèi)比較替代設(shè)計(jì)方案，同時(shí)考察操作決策對整體操作成本的影響。在設(shè)計(jì)過程早期采用這些分析，可以設(shè)計(jì)出更高利潤的方案。

    雖然目前很多模擬工具都可用來設(shè)計(jì)化學(xué)過程，艾斯本的Aspen Plus卻在設(shè)計(jì)和優(yōu)化生物燃料裝置和過程方面，深受EPC工程總承包公司、頂級(jí)生產(chǎn)商以及政府研究機(jī)構(gòu)的信賴。由Eric Dunlop經(jīng)營管理的泛太科技是一家可持續(xù)能源咨詢公司，采用Aspen Plus開發(fā)不同的生物過程模型，評(píng)估碳-微藻生物轉(zhuǎn)換與下游生物柴油生產(chǎn)的技術(shù)和商業(yè)可行性(注1)。泛太科技應(yīng)用創(chuàng)新的aspenONE解決方案解決了生物物性問題，成功建立了與實(shí)驗(yàn)室和行業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)果匹配的Aspen Plus模型。基于上述案例，泛太科技使用模型、能量平衡和相關(guān)的艾斯本成本評(píng)估系統(tǒng)，了解過程擴(kuò)大的制約條件和主要經(jīng)濟(jì)狀況。此模型經(jīng)過美國能源部（DOE）先進(jìn)生物燃料和生物制品國家聯(lián)盟（NAABB）的驗(yàn)證和批準(zhǔn)。巴西生物乙醇科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（CTBE），一個(gè)不在巴西境內(nèi)的研究中心，采用Aspen Plus設(shè)計(jì)并擴(kuò)大甘蔗提煉廠，評(píng)估生物燃料生產(chǎn)的不同路線 (注2)。CTBE考察了第一代和第二代乙醇裝置，以甜高粱作為原料生產(chǎn)出丁醇，并對經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境因素進(jìn)行了比較。CTBE采用aspenONE工程方案，獲得了投資回報(bào)率最高的配置。

    除了艾斯本專家開發(fā)出的一些生物燃料模型，國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）也有大量的采用Aspen Plus開發(fā)的生物燃料加工模型，并向公眾提供(注3)。利用這些生物燃料生產(chǎn)過程建模的現(xiàn)有技術(shù)，用戶便可開始設(shè)計(jì)新的工藝流程。

    采用創(chuàng)新的軟件模擬，用戶甚至是包括早期研發(fā)或技術(shù)驗(yàn)證階段的機(jī)構(gòu)，都可以開發(fā)出創(chuàng)新的生物燃料工藝設(shè)計(jì)，不僅具有更強(qiáng)的技術(shù)可行性，還減少了設(shè)計(jì)時(shí)間。嚴(yán)格的過程結(jié)果同時(shí)能夠證明新工藝或新原料的工程可行性和經(jīng)濟(jì)性以及。