目录`
1.简介
1.1背景和动机
1.3技术方法分析
1.4关于第n个工厂的假设
1.6关于NREL Aspen模型
2.设计的基础和惯例
2.1工厂规模
2.2原料组成
2.3设计报告惯例
3.1工段100：原料储存和处理
3.2工段200：预处理及其条件
3.3工段300：酶水解和发酵
3.4工段400：纤维素酶的生产
3.5工段500：产品，固体和水回收
3.6工段600：废水处理（WWT）
3.7工段700：产品和原料化学品的储存
3.8工段800：燃烧室，锅炉和涡轮发电机
3.9工段900：公用设施
4.过程的经济性
4.1年成本指标
4.2总资本投入
4.3可变运营成本
4.4固定运营成本
5.分析和讨论
5.1碳和能量平衡
5.2水平衡
5.3糖消耗
5.4成本敏感性分析
5.5技术改进声明
6.结果语
6.1总结
6.2与2002年设计的不同
6.3展望未来
1 简介
1.1 背景及动机
美国能源部(DOE)的生物质项目办公室(OBP)赞助那些目的是提高生物质转化技术的基础和应用研究的项目，大力提倡由木质纤维素原料生产乙醇及其他液体燃料。这些项目包括开发出更好的纤维素酶和发酵微生物的实验室运动，潜在过程的详细工程学研究，以及中试和生产设施的构建。这项研究由国家实验室，大学以及私人的工程，建筑公司主导。
作为这个项目的所包含的一部分，美国可再生能源实验室(NREL)为了开发出一种基于过程和工厂设计假设得到的完全工业级别价格的酒精，研究了纤维素酒精生产的全过程设计和经济性，这些假设是和工程学，结构及操作上最合适的实例相联系的。工业级别的价格是指酒精的最低售价或者叫MESP。MESP能被政策制定者和DOE用来评估纤维素乙醇与石油和淀粉或蔗糖来源的乙醇相比其的价格竞争力以及其市场渗入的潜力。
在NREL的技术经济分析结果也可以通过检查MESP处理备选方案和研究进展的敏感性来帮助指导我们的生物质转化的研究。被提议的研究和它的预期结果可以被转化为能和这个报告记录的基准案例相当的新的MESP。这些比较能帮助在NREL或其他地方的核心研究目标的经济影响，以及追踪达到满足竞争性成本目标的过程。这也允许DOE对要求减少MESP相关研究计划作出更多明智决定。
这个报告建立在由NREL的工程师和Delta-T，Merrick工程，Reaction工程以及Harris集团在1999年和2002年发行的报告。对于现在这个报告，NREL再次和Harris集团订立合同，由其对过程设计中设备和原材料成本的评估和审查提供工程支持。这次更新反应了NREL对生物化学乙醇过程的最新预想，包括了在转化领域（预处理，条件，酶解和发酵），产品
的最大回收率以及我们对乙醇工厂后续处理（分离，废水和工具）的最新理解的近期的研究进展。NREL和Harris集团合作确定实际配置和关键设备的成本，特别是预处理反应器系统。为了使酶成本比之前的设计报告假定的固定成本更加透明，这次更新包括了现场纤维素酶的部分。
在设计中使用的生物质转化效率是基于NREL和DOE决心于2012年末在一个完整的中试试验中确定的研究目标。这些2012性能目标在这个报告中被详细讨论。这个概念性过程的经济状况使用了最有效的设备和原材料成本以及第n个工厂的项目成本结构和融资。在这个报告中这个计划的2012年第n个工程的MESP为每加仑2.15美元。
对这里呈现的概念过程设计的改进将会在NREL的科技报告陈述中有所反应。那样就确保了过程设计和它的成本基准是来源于NREL和其他DOE资助的研究以及一直更新的设备成本的最新数据。
我们强调这个设计报告可以被描述为单一的，有效的纤维素乙醇转化过程，简明的假设证明以及详细的过程设计。这个报告并不是为了提供一个工程备选方案或者是成本敏感性分析的详细的调查。这些在防粘纸中将会被研究的内容扩增和参照了目前的报告。此外，因
这个报告而产生的过程模型和经济学工具对于公众是可用的，NREL的生物化学平台分析任务的作者和成员将会为那些想在自己的研究中使用这些的研究人员提供支持。
1.2 过程概述
这里所描述的过程使用平行的木质纤维素物质（玉米秸秆）稀酸前处理，之后是剩下的纤维素的酶水解（糖化），最后是生成的葡萄糖和木糖发酵产乙醇。这个过程设计也包括原料的处理和储存，产品的纯化，废水的处理，木质素的燃烧，产品的储存以及需要的设备。这个过程可以分为9个工段（图-1）。
●工段 100：原料前处理。原料（这里是粉碎的玉米秸秆）被统一结构的原料输送系统运送到原料前处理区域。仅仅需要最小的仓库和低限度的原料处理。在这里，生物质原料被送到前处理反应器（工段 200）
●工段 200：预处理及其条件。这在个工段，生物质原料在稀酸催化剂和高温的条件下处理较短的时间后释放半纤维糖类并破坏原料的结果，使酶易水解。然后向其中加入氨水使它的pH从1上升到酶水解所需要的5。
●工段300：酶水解和发酵。酶水解首先在高固含量的连续发酵罐中使用现场准备好的纤维素酶进行。部分水解后的浆液放入其他几个平行生物反应器中进行下一批次反应。在分批反应器中水解完全后降温，然后接入发酵微生物发酵单胞菌。酶水解和发酵5天后，大部分的纤维素和木糖被转化为酒精。产生的液体部分被送到产品回收链（工段 500）。
●工段 400：纤维素酶的生产。在这个设计中现场的酶生产被包含其中。已经购买的葡萄糖（玉米糖浆）作为酶生产的碳源。这个过程中包含部分葡萄糖被转化为诱导纤维素生产的槐糖这一步。产酶菌类（类似于木霉菌）在补料分批反应器中有氧培养。包含有分泌的酶的整个发酵培养液被放入工段 300进行酶水解反应。
●工段 500：产品回收。发酵液通过蒸馏和固液分离产生乙醇，水和残留的固体。乙醇和水的混合物被蒸馏到接近共沸点，然后通过气相分子筛吸附得到99.5%的乙醇。蒸馏后得到的底部的固体物质被送到燃烧室（工段800），而液体则被送到废水处理站（工段600）.
●工段600：废水处理。工厂的废水通过厌氧和有氧的消化处理。厌氧消化处理产生的富含甲烷的沼气被送到燃烧室，在那里消化处理产生的沉淀物也被燃烧。处理后的水因能够循环使用被送回生产过程。
●工段700：储存。这个工段为生产过程中使用和生产的化学品提供了很大的储存仓库，这些化学物质包括玉米浆，氨水，硫酸，蛋白质，水和酒精。
●工段800：燃烧室，锅炉和涡轮式发电机：蒸馏及废水处理产生的固体物质和厌氧消化处理产生的沼气燃烧产生高压蒸汽通过电力和热。预处理反应器和蒸馏塔使用了大部分的蒸汽。锅炉产生的过量蒸汽被转化为工厂需要的电力和卖给输电网。
●工段900：设备。这个部分包含冷却水系统，冷冻水系统，输水管路和动力系统。
1.3 技术分析方法
图2描述了这里使用的模拟生物质转化为乙醇的工程学方法，包括过程设计，过程模拟和经济性分析。
从如图1所示的总生产流程图(PFD) 和使用Aspen plus软件模拟得到的更详细的PFD开始，使这个概念生物炼制过程中每个单元操作进行严格的物料和能量平衡模拟计算。
物质和能量平衡数据接下来被用于决定生产设备的数量和尺寸。当过程条件和流量改变时，设备成本基线会根据使用标度指数的Excel表格自动调整。这些成本基线来自于供应商或者Harris集团的专利成本数据库。这个报告的最终成本见附录A。
当设备成本被决定后，直接或间接的日常消耗成本决定总的资本投入（TCI）。TCI，连同工厂的操作费用（可由Aspen模拟得到）被用于现金回报率分析，去决定能够盈利的乙醇工业级别价格。这个工业级别的价格也叫最低乙醇售价（MESP，＄/加仑），要求税后10%的盈利率（IRR）。
上面所分析描述的结果是对于一个工业化生产过程之前产品价格合理估计的经济技术模型。产生的MESP对于过程条件模拟的设置是独一无二的，应该强调的是这些选择的条件和对资本与原材料成本作出的估计存在某种程度的不确定性。如果对于这背后所的根据没有详细的理解的话，纯粹计算的MESP只有有限的相关性。而且MESP也能被用来评价设计的过程的市场竞争力，最适用于和其他过程比较技术变更或者用于能指示哪些地方需要进
行经济或过程性能改进的敏感性分析。
1.4 关于第n个工厂的假设
这里的技术经济分析报告使用的是上面提到过的第n个工厂的经济状况。对于第n个工厂包含的主要假设是我们分析的工厂不是第一个开设的工厂，而是使用同一技术的几个已经建成并且运行的工厂。换句话说，它反映的是n个已经被建立的工厂形成的成功工业的成熟未来。因为经济技术模型对于研究评价他们经济影响力竞争力的完整方案和新的技术过程是一个很重要的工具，我们感觉到忽视和财务风险，较长的启动时间，设施保险设计以及那些和第一个工厂成立有关的其他成本是明智的，以免这些遮掩了转化或者整个过程中研究进展真实的经济影响力。至少，这些第n个工厂的经济性应该能为早期技术成立的工厂提供理由和支撑。
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