葡萄栽培与加工废弃物（Vitis vinifera L.）的多分形分析：热化学参数与排放因子评估

《Energies》：Multifractional Analysis of Waste Biomass from Grape (Vitis vinifera L.) Cultivation and Processing for Thermochemical Parameters and Emission Factors

　　

葡萄栽培的发展伴随着大量植物残体（叶片、枝条、果梗及葡萄渣）的产生。本研究评估了种植于捷克共和国莱德尼采（Lednice）的四个葡萄品种（霞多丽、梅洛、雷司令、茨威格）材料的热化学、元素、排放及化学计量学特性。所有分析特征均观察到显著差异。葡萄渣表现出最高的热值（高位热值HHV：17.95 MJ·kg?1，低位热值LHV：15.95 MJ·kg?1），并具有高碳（42.66%）、高氮（2.05%）和高硫（0.37%）含量特征。葡萄渣还表现出最高的SO2（0.73 kg·t?1）和NOx（7.22 kg·t?1）排放量。叶片灰分含量最高（10.90%），并显示出最高的粉尘排放因子（13.77 kg·t?1），而枝条的挥发分含量最高（66.47%）。枝条的水分含量为8.94%，氧含量最高（49.47%），同时灰分含量（2.29%）、氮含量（0.75%）和粉尘排放因子（2.89 kg·t?1）均最低。层次聚类分析证实葡萄渣与果梗之间相似性最大，而枝条则形成具有不同热化学特征的独立聚类。结果表明，尽管所有葡萄藤废弃物组分均构成潜在的生物能源原料，但其多样的排放和化学计量学特征要求对燃烧过程参数进行单独调整。

论文解读：葡萄栽培与加工废弃物的热化学特性及排放因子综合评估

一、研究背景与意义

能源安全是人类社会发展始终面临的核心议题。当前，化石燃料的日益枯竭以及《巴黎协定》框架下对能源系统脱碳的迫切需求，推动可再生能源领域快速发展。生物能源作为可再生能源的重要组成部分，2023年全球生物质供应量已达56 EJ，约占全球能源供应总量的9%，其中固体生物质占比超过83%。然而，传统生物质直接燃烧方式效率低下，且农业废弃物处理面临严峻挑战。填埋、施肥或堆肥等传统管理方式可能导致恶臭气体排放、渗滤液产生以及甲烷和CO₂的无控释放。在此背景下，废弃生物质的能源化利用成为兼顾能源需求与环境保护的重要路径。

葡萄酒产业在栽培与加工过程中产生大量植物残体，包括农艺修剪产生的木质化枝条以及加工后的葡萄渣、果梗和籽等。这些原料具有较好的能源参数，干态热值可达17–19 MJ·kg^?1。然而，现有研究主要集中于单一废弃物流的独立评估，由于实验条件、品种和分析方法的差异，不同组分之间的直接比较受到限制。此外，缺乏将工业分析与元素分析相结合、同时兼顾化学计量烟气体积和全组分排放特征的综合研究。本研究采用创新的多组分比较方法，同时评估四个葡萄品种（霞多丽、梅洛、雷司令、茨威格）的叶片、一年生木质化枝条、果梗和葡萄渣四种废弃物组分，旨在建立精确的化学计量关系和操作指南，为葡萄酒生产副产物在循环经济模式下的安全、清洁、高效热利用提供科学依据。

二、主要技术方法

本研究在捷克共和国莱德尼采门德尔大学葡萄园开展田间试验，该园地处暖温带气候区，葡萄植株于2004–2006年间定植，株行距2 × 1 m，采用单居约修剪系统。研究人员对四个品种的四种废弃物组分进行系统采样：枝条于2024年12月17日休眠期采集，叶片按冠层上中下三层各三分之一随机采集，葡萄于技术成熟期（可溶性固形物23.5–24.5°Brix）手工采收，每品种25 kg，葡萄渣为榨汁后固体残渣。样品经20 °C、55–60%相对湿度条件下自然风干两周，使用Retsch SM 100切割磨粉碎至0.5 mm粒径。研究采用工业分析（水分、灰分、挥发分、固定碳）、元素分析（C、H、N、S、O）、热值测定、排放因子计算（基于最终分析法的SO₂、CO₂、CO、NO_x和粉尘排放因子）以及基于化学计量方程的烟气组成分析。统计分析采用单因素方差分析、Tukey HSD检验（α = 0.05）和层次聚类分析（平均连接法，z-score标准化，欧氏距离），使用STATISTICA 13.1软件。

三、研究结果

3.1 各生物质组分的生产力

方差分析显示，各品种间所有生产力参数均存在高度显著差异。茨威格品种果实产量最高，达50.44 t·ha^?1，显著高于雷司令（18.47 t·ha^?1）、霞多丽（12.41 t·ha^?1）和梅洛（11.62 t·ha^?1）。相应地，茨威格的果梗质量（3.42 t·ha^?1）和鲜葡萄渣质量（47.02 t·ha^?1）亦达最大值。枝条产量方面，雷司令最高（6.03 t·ha^?1），而茨威格尽管果实产量占优，枝条产量却最低（3.73 t·ha^?1）。梅洛叶片产量最高（4.9 t·ha^?1），霞多丽最低（3.45 t·ha^?1）。结果表明不同品种在生物量分配上存在显著基因型差异，这对各品种作为能源原料的潜力评估具有关键意义。

3.2 葡萄组分的能源特性

3.2.1 工业分析

葡萄渣高位热值最高（17.95 MJ·kg^?1），显著高于叶片（16.86 MJ·kg^?1）、果梗（16.81 MJ·kg^?1）和枝条（16.69 MJ·kg^?1）。低位热值呈现相似趋势，葡萄渣最高（15.95 MJ·kg^?1），枝条（14.94 MJ·kg^?1）和叶片（14.90 MJ·kg^?1）较低。水分含量方面，葡萄渣最高（10.20%），枝条（8.94%）显著低于其他组分。灰分含量以叶片最高（10.90%），枝条最低（2.29%），差异达8.61个百分点。挥发分含量各组分间无显著差异，枝条最高（66.47%）。固定碳含量枝条最高（22.30%），叶片最低（14.20%）。

3.2.2 元素分析

碳含量以果梗最高（42.96%），与葡萄渣（42.66%）无显著差异，枝条（41.67%）和叶片（41.63%）显著较低。氢含量葡萄渣最高（7.21%），枝条最低（5.78%）。氮含量葡萄渣最高（2.05%），与叶片（1.93%）无显著差异，枝条最低（0.75%）。硫含量葡萄渣最高（0.37%），枝条最低（0.04%）。氧含量枝条最高（49.47%），显著高于果梗（40.46%）、叶片（38.30%）和葡萄渣（37.41%）。H/C比以叶片最高（1.71），N/C比以葡萄渣最高（0.048），O/C比以枝条最高（0.89）。

3.3 排放因子结果

CO排放因子以果梗最高（52.92 kg·t^?1），叶片最低（51.29 kg·t^?1）。NO_x排放因子葡萄渣最高（7.22 kg·t^?1），与叶片（6.80 kg·t^?1）无显著差异，枝条最低（2.66 kg·t^?1），与氮含量和N/C比变化规律一致。CO₂排放因子果梗最高（1296.00 kg·t^?1），枝条最低（1257.14 kg·t^?1）。SO₂排放因子葡萄渣最高（0.73 kg·t^?1），枝条最低（0.09 kg·t^?1），与硫含量对应。粉尘排放因子叶片最高（13.77 kg·t^?1），枝条最低（2.89 kg·t^?1），与灰分含量直接相关。

3.4 烟气组成分析

理论需氧量（V_O2）葡萄渣最高（0.94 m³·kg^?1），枝条最低（0.75 m³·kg^?1）。化学计量干空气量（V_oa）葡萄渣最高（4.48 m³·kg^?1），枝条最低（3.25 m³·kg^?1）。CO₂含量果梗和葡萄渣最高（均为0.80 m³·kg^?1）。SO₂含量葡萄渣最高（0.0026 m³·kg^?1）。水蒸气含量枝条最高（1.33 m³·kg^?1）。理论氮含量葡萄渣最高（5.18 m³·kg^?1），枝条最低（3.47 m³·kg^?1）。总烟气量（V_ga）葡萄渣最高（7.63 m³·kg^?1），枝条最低（5.56 m³·kg^?1）。干烟气总量（V_gu）葡萄渣最高（5.98 m³·kg^?1），枝条最低（4.22 m³·kg^?1）。层次聚类分析显示，葡萄渣与果梗之间距离最小，形成第一聚类，叶片随后加入，而居约枝条在最大距离处才与其他组分合并，构成独立聚类。

四、结论

研究证实，葡萄栽培与加工产生的废弃物组分类型显著影响其热化学和燃料特性及排放特征。葡萄渣表现出最高能量潜力（LHV = 15.95 MJ·kg^?1），与其高碳含量（42.66%）相关。叶片能量浓度较低（LHV = 14.90 MJ·kg^?1），归因于较低碳含量（41.63%）。燃烧残渣分析显示，叶片（10.90%）和葡萄渣（10.32%）产生最多灰分，直接导致较高粉尘排放率（分别为13.77 kg·t^?1和13.04 kg·t^?1）。枝条灰分含量（2.29%）和粉尘排放因子（2.89 kg·t^?1）最低，在矿物残渣和粉尘产生方面具有最优特征。由于较高的氮和硫含量，葡萄渣（N—2.05%，S—0.37%）和叶片（N—1.93%，S—0.15%）产生最高氮氧化物（7.22 kg·t^?1；6.80 kg·t^?1）和二氧化硫（0.73 kg·t^?1；0.31 kg·t^?1）排放率。枝条在低排放特性方面表现最优。工艺参数方面，葡萄渣、果梗和叶片需要更大空气供给以实现完全燃烧，同时产生更大干烟气体积；枝条需较低空气流量，产生较小干烟气体积，但计算水蒸气含量最高。层次聚类分析揭示葡萄渣与果梗热化学特性高度相似，木质化枝条构成明显独立的原料组。所有葡萄藤废弃物组分均为有价值的生物能源原料，但各组分在能源利用方面具有不同潜在优势：葡萄渣低位热值最高，枝条灰分含量和粉尘排放因子最低。特定能源应用组分可通过压力团聚加工为颗粒燃料，便于向工业设施和个人消费者分销。鉴于叶片和葡萄渣灰分含量较高，其燃烧残渣在农业再利用方面的化学组成及葡萄栽培适用性需进一步评估。