《Energy Nexus》：Co-pelletization of coarse olive pits and food-industry residues for sustainable bioenergy production: physicochemical, environmental, and techno-economic assessment
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本研究针对食品加工业（香肠制造）产生的一种富含纤维素和甘油的颗粒残渣(RI)热值不足、难以单独商业化应用的难题，创新性地将其与本地可得的粗橄榄核(CA)进行共造粒处理。研究采用简化、低能耗的预处理工艺，评估了四种混合配比，确定了最优配方(70%CA/30%RI)。该配方生产的颗粒燃料高阶热值(HHV)达17.6 MJ·kg-1，机械耐久性等指标满足ISO 17225 A2级标准，其燃烧排放的NOx、SOx和VOCs低于商业化辐射松颗粒。生命周期评估(LCA)显示其碳足迹较传统颗粒降低35%，技术经济分析表明在年产能1800吨规模下具备经济可行性。此研究为将低价值食品工业残渣转化为符合标准的固体生物燃料提供了一条技术可行、经济可行且环境友好的循环生物经济路径。
在全球人口增长、城市化和消费模式不断演变的背景下，固体废弃物的产生量急剧增加，带来了严峻的环境、社会和经济挑战。据预测，到2050年，全球城市固体废物量将增长近70%。不当的废弃物管理是温室气体排放、土地和水污染以及公共健康风险的重要推手。在这一宏大背景下，农业工业和林业残留物作为有机废物流的主要部分，因其可再生和良好的能源属性，在生物能源生产中展现出巨大潜力。然而，大量此类残留物仍被填埋或随意堆放，不仅导致甲烷排放，也造成了宝贵的生物质资源浪费。因此，如何高效、可持续地将这些“废弃物”转化为“能源”，成为推动循环生物经济、实现低碳转型的关键课题。
橄榄油产业的副产物，特别是橄榄核，因其高热值、低水分和良好的燃烧特性，被认为是能源回收的理想原料。与此同时，食品加工业，如香肠制造，也会产生大量特定残渣，目前多被填埋处理。本研究瞄准的正是这两种看似不相关、实则互补的废弃物：高热值但可能供应受限的粗橄榄核(CA)，与富含纤维素和甘油、但热值低、单独利用困难的食品工业残渣(RI)。通过创新的“共造粒”技术，将两者混合并压制成标准化颗粒燃料，旨在解决单一残渣性能不足的问题，同时为两种废弃物的协同高值化利用开辟新路。这项由Jorge Sandoval-Manríquez等研究人员完成的研究发表在《Energy Nexus》上，对简化生物燃料生产工艺、降低环境影响和提升经济性进行了全面评估。
研究人员开展这项研究，综合运用了多种关键方法。首先，对原料（粗橄榄核CA和香肠制造产生的纤维素/甘油残渣RI）进行了系统的理化表征，包括水分、灰分和高阶热值(HHV)测定。其次，他们设计了一个简化的、低能耗的预处理流程：避免精细研磨（粒径≥1毫米），并在较高湿度（30-35%）下进行造粒，这显著降低了常规造粒工艺的能耗。他们制备了四种不同CA/RI配比的混合料（RI含量从10%到40%），并使用水平平模造粒机进行颗粒生产。接着，对产出的颗粒燃料依据ISO 17225系列标准进行了全面的质量评估，涵盖物理性质（如堆积密度、耐久性）、化学组成和元素分析。为了评估其燃烧性能和环境排放，研究在实验室规模的燃烧炉中进行了测试，测量了颗粒物(PM)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)和挥发性有机化合物(VOCs)的排放因子，并分析了燃烧灰分的元素组成以评估结渣和腐蚀潜力。最后，研究结合生命周期评估(LCA)和技术经济分析(TEA)，从环境和经济双重角度评估了该技术的可行性和可持续性。LCA采用从摇篮到大门（即从原料获取到颗粒产品出厂）的系统边界，以1兆焦耳输送能量为功能单位；TEA则基于智利当地的成本和市场数据，评估了不同生产规模下的经济指标。
3.1. 颗粒生产的技术可行性
对原料的初步分析显示，CA具有高热值（20.15 MJ·kg-1，干基）和低水分，而RI则水分高（~49%）、热值低（7.25 MJ·kg-1）、灰分高，单独均无法满足ISO 17225-2标准。通过将两者混合，成功生产出四种配比的颗粒燃料。其中，最优配方ET3（70%CA/30%RI）表现出最佳的综合性能：其高阶热值(HHV)为17.6 MJ·kg-1，超过标准要求（≥16.5 MJ·kg-1）；机械耐久性为97.6%，满足A2级阈值（≥97.5%）；颗粒直径、长度和堆积密度均符合标准。尽管灰分含量（1.12%）略高于A1级但符合A2级限值。元素分析表明，所有混合颗粒的硫、氮及重金属（除ET1中镉略有超标）含量均在ISO标准限值内。研究证实，通过共造粒，可以将低热值的RI转化为符合国际质量标准的高品质固体生物燃料。
3.2. PM、燃烧气体排放和VOCs
3.2.1. 颗粒物(PM)排放
燃烧测试表明，ET3颗粒的PM排放为26.0 mg·MJ-1，显著低于许多未经处理的农业残渣，并与经过认证的商业木颗粒相当。这表明共造粒改善了燃烧效率，减少了飞灰携带。
3.2.2. 气态污染物(CO, SO2, NO2)
ET3的CO和NO2排放处于ENplus A1级限值内，表明在粗粒径和高湿度条件下仍能实现高效燃烧。其SO2和NO2排放甚至低于作为对照的商业辐射松颗粒(ET5)，环境排放表现优异。较高的CO排放被归因于实验室燃烧炉的固定气流限制，在优化后的工业燃烧器中可得到改善。
3.2.3. 挥发性有机化合物(VOCs)
VOCs分析显示，ET3燃烧烟气中有害或产生异味的VOCs种类（如某些醛类、胺类）少于商业辐射松颗粒。这得益于RI的加入可能改变了燃料的挥发分特性，减少了燃烧过程中可凝结有机物的释放。
3.2.4. 排放结果总结
总体而言，共造粒颗粒的PM、CO、SO2和NO2排放浓度处于住宅燃烧可接受范围内，且VOCs和异味化合物排放较低，表明其用于居民采暖时对室内空气质量影响小，环境友好。
3.3. 燃烧灰分与腐蚀潜力
对燃烧灰分的元素组成分析显示，实验颗粒（ET1-ET4）灰分中的锌、磷、硫等元素含量极低甚至未检出，而这些元素在对照的辐射松颗粒灰分中含量较高。这些元素是导致结渣、积灰和高温腐蚀风险增加的关键因素。计算得到ET3的总灰分质量指数(tAQI)为2.4，属于中等风险，显著低于辐射松颗粒的5.2。这表明，由CA和RI共造粒产生的颗粒燃料，其灰分的结渣和腐蚀倾向可能低于传统的木颗粒，有利于锅炉的长期稳定运行。
3.4. 经济可行性
技术经济分析评估了不同配比颗粒的生产成本。尽管RI的加工（研磨和干燥）增加了部分成本，但由于RI作为废弃物原料成本极低甚至为负成本（节省了处置费），最优配方ET3的估算生产成本为每吨162.4美元，比传统木颗粒（208.0美元/吨）低约22%。对一座年产能1800吨、与RI来源地配套建设的工厂进行折现现金流分析表明，ET3在技术达标的同时，能够实现盈利（净现值NPV为正）。敏感性分析指出，粗橄榄核的原料价格和电力成本是影响项目经济性的最关键因素。研究表明，在合理的原料和能源价格下，该共造粒技术路线具备市场竞争力。
3.5. 环境性能
生命周期评估(LCA)结果显示，生产ET3颗粒（功能单位为1 MJ能量）的全球变暖潜势(GWP)在1.70至4.54 g CO2eq之间（具体数值取决于对橄榄核上游负担的分配方法）。这一碳足迹范围处于或低于全球生物颗粒报告的区间，并且显著低于传统锯末颗粒。与将RI进行填埋处理相比，将其制成颗粒燃料可实现每功能单位碳足迹降低35%。此外，在陆地酸化、土地利用等其他环境影响类别上，ET3也表现出优于或与同类产品相当的性能。分析指出，干燥工序是生产过程中主要的能耗和环境热点，未来工艺优化应重点关注节能干燥技术。
结论与意义
本研究成功验证了粗橄榄核(CA)与食品工业纤维素/甘油残渣(RI)进行简化共造粒的技术可行性。所开发工艺避免了高能耗的精细研磨，允许在较高原料湿度下成型，显著降低了预处理能耗。在评估的混合比例中，ET3（70%CA/30%RI）被确定为最优配方，其燃料品质满足ISO 17225-2的A2级标准，具有可观的高热值、良好的机械强度和较低的污染物排放。燃烧灰分分析表明其结渣和腐蚀风险可控。从全生命周期角度看，该技术路径比传统木颗粒生产和残渣填埋具有更低的碳足迹和环境 impact。经济分析证实，在中等生产规模下，该技术路线具备成本竞争力且能实现盈利。
这项研究的重要意义在于，它提出并验证了一条将两种低值或废弃的农业工业残留物协同转化为高品质固体生物燃料的实用化路径。它不仅解决了单一废弃物性能不足、难以资源化利用的难题，还通过简化的工艺流程挑战了“生物质造粒必须深度预处理”的传统认知。该工作为食品加工业等产废行业提供了一种“变废为宝”的循环经济解决方案，有助于减少填埋压力、降低温室气体排放，并增加本地化、可持续的生物能源供应，为推动区域循环生物经济和低碳能源转型提供了有力的技术支撑和决策依据。
