《Biomass and Bioenergy》：Characterization and evaluation of the energy potential of orange bagasse
编辑推荐：
为应对气候变化、化石燃料枯竭及全球能源需求增长，本研究聚焦于柑橘加工业（特别是橙汁生产）产生的大量废弃物（果皮、果肉、种子）。研究人员对橙渣进行了详尽的化学与热物理性质表征，评估了其作为固体生物燃料的全球能源潜力与净能源可得性。结果表明，经脱水处理的橙渣具有与广泛应用的甘蔗渣（sugarcane bagasse）相当的燃料特性（HHVdb= 17.64 MJ kg-1）。尽管高含水率是主要障碍，但通过机械压榨与热旋转干燥相结合，获得的净能源（~202千toe）不仅能满足果汁浓缩阶段的能耗，还可产生富余能量。该研究为提升柑橘产业能源自给、减少外部化石燃料依赖及缓解环境负担提供了技术可行的策略。
在全球能源需求不断攀升、气候变化问题日益严峻以及化石燃料逐渐枯竭的大背景下，寻找可持续的可再生能源替代方案已成为当务之急。生物质能，因其来源广泛、供应连续且具有碳中性特点，展现出巨大的潜力。其中，农产品加工业产生的废弃物是宝贵的生物质资源。以全球第五大水果——橙子为例，其在加工成橙汁的过程中会产生高达40%-60%的废弃物，主要包括果皮、果肉和种子。这些废弃物传统上被用于提取果胶、制作动物饲料或堆肥，但体量巨大，其不当处置会带来环境负担。与此同时，橙汁浓缩、巴氏杀菌等生产过程本身又消耗大量热能。那么，能否将这些“负担”转化为“宝藏”，既解决废弃物处理问题，又为生产过程提供清洁能源，实现产业的能量自循环？这正是发表在《Biomass and Bioenergy》期刊上的这项研究试图解答的核心问题。
为了系统评估橙渣的能源化利用潜力，研究团队主要采用了以下几种关键技术方法：首先，从巴西圣保罗州的两家橙汁加工厂采集了代表性橙渣样本（包含瓦伦西亚和佩拉里奥两个品种）以及作为对比的甘蔗渣样本。其次，在实验室对样品进行了全面的表征分析，包括测定收到基含水率、工业分析（水分、挥发分、灰分、固定碳）、元素分析（C, H, N, O, S）以及高热值分析。其中，灰分的元素组成通过扫描电子显微镜结合能量色散X射线光谱（SEM-EDS）进行分析。最后，基于表征数据和全球橙子加工量历史数据，研究建立了数学模型，估算了全球橙渣的能源潜力，并评估了结合机械压榨和热旋转干燥两种脱水工艺后的净能源可得性。
研究结果
3.1. 收到基与残余水分含量
分析显示，新鲜橙渣的平均收到基含水率高达约82%，直接燃烧不可行。为达到锅炉适宜燃烧的含水率（约50%），必须进行脱水预处理。
3.2. 工业分析
干基条件下，橙渣平均含约80.7%挥发分、15.6%固定碳和3.6%灰分。与甘蔗渣相比，橙渣的挥发分和固定碳含量更高，灰分含量低71%，表明其可能具有更好的燃烧性能。
3.3. 元素分析
干基橙渣平均含碳约46%，氢约6%，氧约43%，氮约1%，未检出硫。较高的碳氢含量有利于能量释放，但高氧含量会降低热值。与甘蔗渣相比，橙渣碳、氢、氧含量均更高。
3.4. 灰分元素组成
橙渣灰分以钾（K，55.16%）和钙（Ca，25.60%）为主，富含磷（P）和镁（Mg），几乎不含硅（Si）。甘蔗渣灰分则以硅（Si，42%）和铁（Fe，22.02%）为主。橙渣灰分的高碱金属含量易导致结渣和积灰，而甘蔗渣灰分的硅含量高则形成更耐熔的沉积物。两者共燃可相互改良灰分特性。
3.5. 热值分析
橙渣的干基高位热值平均为17.64 MJ kg-1，略高于甘蔗渣的16.53 MJ kg-1。在目标工作含水率（50%）下，计算得到其低位热值为6.94 MJ kg-1。
3.6. 能源潜力与净能源可得性评估
基于过去五个产季（2019/20–2023/24）全球年均加工1714万吨橙子计算，产生的湿渣经脱水至50%后，对应的理论能源潜力约为42.9万toe。然而，脱水过程本身耗能。研究表明，机械压榨至少需将含水率从82%降至74%，净能源才能为正。若采用行业现有压榨技术（降至65%），再辅以热干燥至50%，可获得约20.2万toe的净能源。这部分能量不仅能满足果汁浓缩环节的热需求（约需10万toe），还可产生富余能量用于巴氏杀菌或上网售电。
3.7. 经济性评估
研究对比了三种情景：基准情景（燃烧甘蔗渣，用重油干燥橙渣生产柑橘果肉颗粒）、部分替代情景（燃烧橙渣，仍用重油干燥）以及热电联产脱碳策略（燃烧全部橙渣满足热、电需求，放弃果肉颗粒销售）。从纯经济角度看，基准情景因柑橘果肉颗粒销售收入高而利润最大。部分替代和热电联产情景虽经济性较差，但显著减少了对重油的依赖，提升了能源自给率和脱碳水平。考虑到未来畜牧饲料结构变化可能影响柑橘果肉颗粒市场，向热电联产转型也是一种前瞻性战略。
3.8. 分析阶段干燥温度的影响
作为方法学补充，研究比较了45°C和105°C干燥温度对分析结果的影响。在105°C下，因挥发性物质损失被计入水分，导致测得的干基高位热值略高，可能高估了真实热值。
研究结论与意义
本研究表明，橙汁加工废弃物（橙渣）具有作为固体生物燃料的吸引人的特性，其热值与燃料成分与已大规模能源化利用的甘蔗渣相当。研究明确了高含水率是其主要应用障碍，但通过机械脱水和热干燥的组合工艺可以克服。评估显示，全球橙渣具有可观的理论能源潜力（~42.9万toe），在可行的脱水方案下，可获得约20.2万toe的净能源，足以支撑橙汁加工中的热能需求并产生盈余。
该研究的重要价值在于，为柑橘加工行业提供了一条实现能源自给、降低外部化石燃料依赖、并同步解决有机废弃物环境问题的技术可行路径。虽然当前完全转向橙渣能源化在经济上可能不如继续生产动物饲料副产品有优势，但其在提升产业韧性、应对未来碳约束和饲料市场变化方面具有战略意义。特别是橙渣与甘蔗渣的共燃策略，能有效改善灰分行为，为这两种重要农业废弃物的协同能源化利用提供了科学依据。这项工作不仅有助于柑橘产业自身的可持续发展，也为其他农产品加工废弃物的资源化利用提供了评估范式和技术参考，有助于推动整个生物质能源领域的发展。
