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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計，例如，玉米、甘蔗、藻類以及纖維素等合成生物柴油、生物乙醇、合成氣和沼氣等設計，正變得更具吸引力和更高收益。可燃生物燃料作為現有石油和天然氣能源基礎設施的碳平衡替代燃料，吸引了持續的投資興趣。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濟標準，給工藝工程師帶來了壓力，促使工程師進行最佳設計。利用包含經濟、能源和換熱器設計的流程模擬工具進行生物燃料生產工藝設計，優化過程能源消耗和成本，不僅能獲得更佳的設計方案，而且還縮短了時間周期。

    隨著生物能源的發展，一系列設計難題也涌現出來。首要的是證明技術可行性和盈利能力，然后是詳細設計和吸引資本投資。其他難題包括替代作物和纖維素乙醇研究帶來突飛猛進的工藝創新，以及優化原料選擇壓力和確保裝置設計適應變化的靈活性問題。為了進一步確保盈利能力，許多過程也必須結合生產盈利的副產品，包括動物飼料和化學品。從加工原料、控制最終產品到設備選型、成本核算，過程模擬貫穿于整個生物燃料設計的全過程，包括從研發到概念設計，再到工程和采購。

    用戶利用過程模擬工具設計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計方案。生物燃料加工的整個過程，如原料預處理、轉換（如水解、糖化作用和發酵）、乙醇脫水、生物質氣化以及甘油三酸酯的酯交換反應等，均可在過程模擬工具中進行概念設計。用戶可從整個工藝的可視化和優化中獲得收益，而不是單獨的某一過程。 這個設計是模塊化的，從而便于研究不同單元和技術在整體過程中的影響。采用數據庫中穩定和可靠的物性數據，例如，選用全面且先進的美國國家標準技術研究所（NIST）數據庫，可提高模型的保真度。此外，過程模擬還可以進行優化研究，確定最佳的操作條件，同時考慮工藝限制條件，如：產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，用戶就可以開發出更高質量的模型，預測裝置放大和經濟性，而無需擔心缺乏技術可行性。

    化工過程建模已經有30多年的歷史，一直為很多工業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氣化過程。此外，過程模擬還廣泛應用于設計重要乙醇的過程，包括水解作用、糖化作用、發酵、蒸餾和脫水、副產品回收和pH值控制等。 圖1為玉米制乙醇裝置模擬的范例。大部分原料以固態形式進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。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備模型，如破碎機和研磨機處理固體原料，并利用離心分離和干燥等設備模塊建立液體/固體分離模型。

                           圖1：包含經濟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。根據不同的供應商，用戶可采用集成的過程工程工具進行生物燃料工藝設計過程。這些集成工具可為過程模擬帶來能源優化、換熱器嚴格設計和核算以及成本估算工具。利用集成能源優化軟件，用戶可評估換熱網絡來增加熱量回收，并通過有效評估不同設施類型的成本效率，進而將操作成本降至最低。采用過程模擬集成換熱器嚴格設計和核算工具，用戶可直接進行換熱器的設計并進行評估，利用此設計增加流程精確度，并檢查換熱器的操作風險和預警，包括振動、污垢以及過量的操作溫度和壓力。使用集成的經濟評估工具，用戶可在更短時間內比較替代設計方案，同時考察操作決策對整體操作成本的影響。在設計過程早期采用這些分析，可以設計出更高利潤的方案。

    雖然目前很多模擬工具都可用來設計化學過程，艾斯本的Aspen Plus卻在設計和優化生物燃料裝置和過程方面，深受EPC工程總承包公司、頂級生產商以及政府研究機構的信賴。由Eric Dunlop經營管理的泛太科技是一家可持續能源咨詢公司，采用Aspen Plus開發不同的生物過程模型，評估碳-微藻生物轉換與下游生物柴油生產的技術和商業可行性(注1)。泛太科技應用創新的aspenONE解決方案解決了生物物性問題，成功建立了與實驗室和行業數據結果匹配的Aspen Plus模型。基于上述案例，泛太科技使用模型、能量平衡和相關的艾斯本成本評估系統，了解過程擴大的制約條件和主要經濟狀況。此模型經過美國能源部（DOE）先進生物燃料和生物制品國家聯盟（NAABB）的驗證和批準。巴西生物乙醇科學和技術實驗室（CTBE），一個不在巴西境內的研究中心，采用Aspen Plus設計并擴大甘蔗提煉廠，評估生物燃料生產的不同路線 (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出丁醇，并對經濟、社會和環境因素進行了比較。CTBE采用aspenONE工程方案，獲得了投資回報率最高的配置。

    除了艾斯本專家開發出的一些生物燃料模型，國家可再生能源實驗室（NREL）也有大量的采用Aspen Plus開發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過程建模的現有技術，用戶便可開始設計新的工藝流程。

    采用創新的軟件模擬，用戶甚至是包括早期研發或技術驗證階段的機構，都可以開發出創新的生物燃料工藝設計，不僅具有更強的技術可行性，還減少了設計時間。嚴格的過程結果同時能夠證明新工藝或新原料的工程可行性和經濟性以及。