《Energy Conversion and Management-X》：Exploring the energy potential of agricultural and agroindustrial residues in michoacán: characterization to determine the feasibility of solid biofuels
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本刊推荐：为解决墨西哥米却肯州农业废弃物资源化利用问题，研究人员开展了五种主要作物（鳄梨、甘蔗、小扁豆、玉米、芒果）残留物的能源潜力研究。通过系统的理化表征（包括CHONS、FTIR、热值分析等），证实这些废弃物具备优良的固体生物燃料特性（热值15.5-19.8 MJ/kg），其最小年产能（49 PJ）可满足该州30%农村人口的烹饪能源需求，为可持续能源转型提供了重要数据支撑。
在当今全球能源转型的浪潮中，生物能源作为替代化石燃料的重要可再生资源，展现出巨大的潜力。特别是在拉丁美洲等农业资源丰富的地区，利用农作物残留物生产固体生物燃料，不仅能够缓解能源需求压力，还能有效减少废弃物带来的环境问题。墨西哥作为农业大国，每年产生大量农业废弃物，但其中大部分并未得到有效利用，造成了资源浪费和环境污染。米却肯州是墨西哥重要的农业产区，盛产鳄梨、甘蔗、玉米等作物，其残留物的能源化利用前景广阔，但相关系统性研究仍较为缺乏。
为评估这些农业废弃物的能源潜力，来自墨西哥米却肯州土著民族大学蒂林达罗学术单位的研究团队在《Energy Conversion and Management: X》上发表了题为“Exploring the energy potential of agricultural and agroindustrial residues in Michoacán: characterization to determine the feasibility of solid biofuels”的研究论文。该研究选取了当地五种主要作物——鳄梨（Persea americana Mill.）、甘蔗（Saccharum officinarum L.）、小扁豆（Lens culinaris Medik.）、玉米（Zea mays L.）和芒果（Mangifera indica L.）的残留物，进行系统的理化表征和能源潜力分析，以确定其作为固体生物燃料的可行性。
研究人员采用了一套完整的方法论，主要包括五个阶段：首先，识别农业区域并系统收集各类作物残留物样本；其次，对收集的残留物进行脱水、机械研磨和筛分等预处理，以获得均匀的样品；接着，运用多种表征技术对样品进行全面的理化分析，包括采用标准方法进行工业分析（水分、灰分、挥发分、固定碳）、使用元素分析仪测定CHONS（碳、氢、氧、氮、硫）组成、通过范索斯特（Van Soest）纤维分析法确定木质纤维素（纤维素、半纤维素、木质素）含量、利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定官能团、采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）进行灰分微分析，以及使用热量计测定高位热值；然后，结合作物产量数据和热值结果，通过数学模型估算各残留物的能源潜力；最后，通过举办论坛和开发交互式网络平台等方式，积极传播研究成果，促进社区参与和知识共享。
研究结果揭示了这些农业废弃物作为固体生物燃料的优良特性。工业分析显示，所有样品的含水率均低于10.5%，灰分含量低于10%，而挥发分含量均高于70%，固定碳含量在14.10%至20.51%之间。这种高挥发分和适宜的固定碳组合有利于燃料的点燃和持续燃烧。元素分析结果表明，碳含量均超过40%，氧含量高于47%，而氮和硫的含量极低（氮<2%，硫<0.01%），这意味着在燃烧过程中产生氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）等污染物的风险较低，环境友好性较好。木质纤维素分析显示，鳄梨残留物的纤维素含量最高（45.21%），而甘蔗和扁豆残留物则含有较高的提取物（分别为45.35%和69.50%），这些成分与燃料的热值密切相关。FTIR光谱进一步证实了样品中富含C–H、C–O、C–O–C等官能团以及芳香族化合物，这些是生物质能源的主要贡献者。灰分微分析鉴定出钙（Ca）、钾（K）、镁（Mg）、钠（Na）、磷（P）等为主要无机元素，其含量和组成对燃烧过程中的结渣和腐蚀行为有重要影响。最关键的热值测定结果显示，五种残留物的热值在15.465 MJ/kg（玉米）到19.869 MJ/kg（鳄梨）之间，均处于生物质燃料的典型范围之内，与许多果木（如柠檬、橙子、苹果等）的热值相当。
基于米却肯州的作物产量和残留物产生系数，研究人员估算了每种残留物的年能源潜力。玉米残留物由于种植面积巨大（493,251公顷），其能源潜力最为显著，达到44,196 PJ/年。其次是鳄梨（2,894 PJ/年）和甘蔗（1,361 PJ/年）。芒果和小扁豆的贡献相对较小，但仍分别达到249 PJ/年和66 PJ/年。将所有五种作物残留物的最小能源潜力相加，年总潜力约为49 PJ。研究人员进一步评估了这一能源潜力的实际意义：假设米却肯州农村家庭年均烹饪能耗约为130 GJ，那么这些残留物产生的能量足以满足该州约30%的农村人口（基于2020年人口普查数据约130万农村人口）的烹饪需求。这一发现凸显了农业废弃物资源化利用在解决农村能源问题，特别是替代传统薪柴消耗方面的巨大潜力。
在讨论部分，作者深入分析了研究结果的意义。他们指出，这些农业残留物的高挥发分和固定碳含量直接反映了其木质纤维素结构，其中纤维素和半纤维素在中等温度下挥发产生可燃气体，而木质素则形成稳定的碳骨架，有助于延长炽炭燃烧时间。低氮低硫的特性使其在燃烧时环境排放优于许多传统固体燃料。然而，作者也指出，高碱金属含量（如钾、钠）可能在高温燃烧过程中引发结渣和腐蚀问题，需要在未来的燃烧器设计中予以考虑。为了进一步提升这些残留物作为固体生物燃料的性能，作者建议采用预处理技术，如致密化（制成颗粒或块状燃料）以提高能量密度和运输效率，或采用烘焙（Torrefaction）技术以降低吸湿性、提高热值和改善研磨特性。热液碳化（Hydrothermal Carbonization, HTC）也被提及为处理高湿度残留物的有效方法。
该研究的创新之处不仅在于其系统的科学表征，还在于其将研究成果与社会实践紧密结合的策略。研究人员开发了名为“Tixharani: Bioenergía Michoacán”的交互式网络平台，提供了能源潜力计算器、区域分布地图以及多种教育资源（包括西班牙语、英语和普雷佩查语的材料），旨在促进农民、社区和决策者对农业废弃物能源化的认识和参与。
综上所述，这项研究通过详实的科学数据，有力地证明了米却肯州主要农业废弃物作为固体生物燃料的可行性。其研究方法与成果不仅为墨西哥乃至其他农业地区的生物质能源开发提供了重要的科学依据和技术参考，也为推动农村地区能源转型、实现废弃物资源化利用和促进可持续发展提供了切实可行的路径。未来的研究可以聚焦于将这些残留物实际转化为标准化固体燃料（如颗粒、块状燃料）的工艺优化，以及在不同燃烧设备中的性能评估和排放控制，从而加速其从实验室研究走向规模化应用。
