我国城市生活垃圾能源化利用潜力时空分析及影响因素分析☆

马 涛，王晓磊，洪 涛，陈东旭，张文曦

(1.哈尔滨工业大学 经济与管理学院，黑龙江 哈尔滨 150010；2.宁夏大学 经济管理学院，宁夏 银川 750021)

0 引言

改革开放四十年，我国经济增长举世瞩目，居民生活水平和城市规模也不断提高和扩大。与此同时，城市生活垃圾的产生量也达到了前所未有的水平。“垃圾围城”已经成为我国经济社会环境可持续发展的重大问题。2016年我国214个大、中城市生活垃圾产生量就已达1.89亿t[1]，占全球城市生活垃圾总量的9.4%[2]，同时未处理量已累计达到70亿t，年均增长8%～10%[3]。国家相继出台了垃圾收集、分类、处理等相关政策措施，包括《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》、《生活垃圾分类制度实施方案》、《关于在全国地级及以上城市全面开展生活垃圾分类工作的通知》等，以应对日益严峻的城市生活垃圾问题。到2019年底，已有430多座垃圾能源化电厂投入运行，总焚烧量达45万t/d，占城市垃圾发电总量的70%以上[4]。其中的一个典型案例是深圳深能环保盐田垃圾发电厂，其日处理城市生活垃圾能力达到750 t，每100 t垃圾焚烧产生的电量可供一户居民使用一个月。

城市生活垃圾包括餐厨垃圾、商业垃圾、建筑垃圾、危险垃圾等[5]，其中的可燃物质由82%的生物质和18%的石化废弃物组成[6]，极高的生物质能比例使其具有作为清洁和可再生燃料用于电力和热能生产的巨大潜力[7]，垃圾能源化就成为我国经济社会可持续发展的战略选择。能源化不仅能有效解决城市生活垃圾自身的问题，还能有效推动能源结构转型。我国是典型的以煤炭为主要能源的国家，煤炭在能源消费结构中的比重接近60%，预计CO2排放占全球的比重将在2030年前达到峰值[8]，能源战略调整的步伐已明显慢于全球趋势。在垃圾减量化与能源结构调整双重压力下，垃圾能源化作为一项新兴的清洁能源技术，将显著改变我国能源消费的资源禀赋观，为我国有效处理城市生活垃圾和实现2030年非化石能源消费占比20%、争取在2060年前实现碳中和的战略目标提供了现实可能。

近年来，能源化已经成为各国普遍接受的一种城市生活垃圾处理方式，可分为热化学技术和生物质技术，前者包括焚烧、热解和气化，后者则是通过垃圾填埋后利用厌氧消化技术生产沼气[9]，是可以满足电力和热力需求的、具有可持续利用的能源回收方式。经热化学技术处理后，城市生活垃圾可以减少约10倍的体积[10]，而生物质技术可以减少15%～20%的温室气体排放[11]。希腊利用城市垃圾生物处理联网系统发电的价格为87.85欧元/MWh，而非联网系统的电价则为99.45欧元/MWh[12]；巴西垃圾填埋场可产生约41.7 MW的填埋气，每个月为全国能源系统提供286 GJ的供热量，足够31.8万个家庭使用[13]；伊朗德黑兰唯一的垃圾转化能源工厂使用气化技术能够产出3 MW的电力[7]；斯洛文尼亚三个沼气热电联产工厂的发电能力可达到2 500 kW[14]。

垃圾能源化同时也是国际前沿和热点研究课题。Federica Cucchiella 等人[15]根据未分类垃圾、填埋场垃圾和回收率确定意大利某一地区垃圾回收量，并对垃圾能源化的环境和经济影响进行了评价。Atul Kumar[16]考察了垃圾能源化技术的应用类型、能源回收潜力和技术效益，以及对环境变化的影响。Munawar Khalil 等人[17]分析了印度尼西亚可持续能源需求现状，提出优化沼气生产基础的重要挑战，以此为政府提供合适的解决方案。A.C. (Thanos)Bourtsalasa等人[18]基于韩国城市生活垃圾的产生及处理情况，评估了韩国垃圾管理绩效，并与其他发达国家进行了比较。Monojit Chakraborty等人[19]以印度新德里三个垃圾填埋场为实证研究，利用生物质、焚烧、气化/热解、垃圾衍生燃料和等离子弧氧化5种方式估算出理想条件下垃圾能源化的可能性。

尽管全球没有任何国家的城市生活垃圾像我国这样面临着如此之大的规模和如此之快的增长速度[20]，但在全国层面上，城市垃圾能源化利用潜力究竟应如何评估，会对我国的能源化带来何种影响，其影响因素又应怎样认识？有鉴于此，本文致力于估算我国城市生活垃圾的能源化潜力，提炼其时空演化的规律性特征，剖析其影响因素及作用机理，据此指出垃圾能源化技术在不同区域间的适用性差异，为我国面向“十四五”时期推进美丽中国建设目标乃至2035年美丽中国目标的基本实现，提供一个可行的研究思路。

1 研究区域与研究方法

1.1 数据来源

以我国31个省(市、区)为研究对象，研究期为2004～2017年。其中，卫生填埋量、焚烧量数据来源于《中国统计年鉴》(2005～2018年)。垃圾能源化发电潜力的影响因素数据来源于《中国统计年鉴》(2018年)。

1.2 方法选择

采用Monojit Chakraborty等[19]的方法，从城市生活垃圾总量上来评估能源潜力，适于对全国层面城市生活垃圾生物质发电潜力和热化学发电潜力的计算。

1.2.1 生物质发电潜力计算方法

(1)

式中ERP——城市生活垃圾能源回收潜力/kWh；

BG——甲烷生产量最大值/m3·a-1，利用美国环境保护局(USEPA)开发的中国填埋气模型(Land GEM)计算得到；

NCV——净热值，生物质过程通常取值0.218/kW·m-3。

依据ERP和甲烷转化电量过程中的转换效率η，城市生活垃圾净发电潜力PGP计算公式为

(2)

η取值30%(全球不同地区垃圾能源化设施的燃烧效率为25%～30%[21]，甲烷转化为能源比例约30%[22])。

BG计算公式为

BG=max(Q1)=

(3)

式中Qi——i年最大预计甲烷产生量/m3·a-1；

n——垃圾填埋累计时间/a；

j——每1/10/a；

k——甲烷产生率,1/a；

L0——最终甲烷产生潜力/m3·t-1；

Mi——第i年里填埋的垃圾量/t；

tij——第i年里填埋的第j部分垃圾的年份；

CCH4——甲烷浓度(以体积算)。

根据《中国填埋气估算模型用户手册版本1.1》[23]，LandGEM设定了中国三个不同气候区域，分别为区域1寒冷和干燥、区域2寒冷和潮湿、区域3炎热和潮湿，根据气候区域地图对不同省份进行气候区设定。k、L0、Mi、ti取值由模型选取的推荐值自动生成。鉴于各省城市生活垃圾填埋数据统计起始年限为2004年，故将开始填埋年份设定为2004年，封场年份设定为2017年，通过模型的Microsoft Excel平台辅助计算获得甲烷产生量。

1.2.2 热化学发电潜力计算方法

ERP=W×NCV×1 000

(4)

PGP=W×NCV×ηTh×41.67

(5)

式中W——每年产生的干垃圾总量,t。

由于气候和生活方式的差异，我国城市生活垃圾组成以高有机和高含水率为主，含水率为20%～60%左右，远高于欧美国家的10%～30%[24]。根据陈国义[25]计算出部分城市生活垃圾含水率，估计各省(市、区)城市生活垃圾含水率取值,则W为城市生活垃圾焚烧量与非含水率的乘积。ηTh为热化学过程转换效率30%；NCV取值0.242 kW/m3,41.67取值参考Monojit Chakraborty等[19]。

1.2.3 空间相关性分析方法

(1)全局空间自相关

全局空间自相关用于描述某现象的整体分布，判断此现象在空间中是否有聚集特性存在。通过全局Moran’s I指数描述发电潜力结果，计算公式如下

(6)

式中n——研究省份的数量；

xi,xj——省i和省j的观测值；

wij——空间权重矩阵的元素值；

S2——观测值的方差。

利用GeoDa软件计算2009年、2013年、2017年垃圾能源化发电潜力的全局Moran’s I指数。

(2)局域空间自相关

局域空间自相关通过度量空间单元对整个研究范围空间自相关的影响程度，影响程度大的是空间现象的聚集点。计算公式如下

(7)

利用局域空间自相关度量省际垃圾能源化潜力对于全国范围空间自相关的影响程度，影响程度大的省份就是垃圾能源化潜力的聚集点，并绘制LISA聚集图直观了解差异分布格局。

1.2.4 影响因素分析方法

(1)影响变量选择

城市垃圾量受人口规模、经济发展水平影响较大，同时季节性、管理成熟度、垃圾特征、可用土地面积、可用资本、技术复杂性、劳动力技能、垃圾厂地理位置和技术效率等差异决定了能源化技术的选择模式[26-27]，另外政府对垃圾处理的政策支持和财政支出也是垃圾能源化潜力的主要因素。本文尝试选取地区生产总值、城镇化水平、居民可支配收入、垃圾处理厂数量、政府环境财政支出、技术市场成交额等作为影响垃圾能源化潜力的变量。

利用SPSS对所有变量进行Pearson相关分析和多重共线性诊断。生物质发电潜力分析中，城镇化水平、垃圾处理厂数量、政府环境财政支出、技术市场成交额4项因子通过显著性检验，可作为解释变量；热化学过程发电潜力中的地区生产总值、居民可支配收入、政府环境财政支出、技术市场成交额4项因子通过显著性检验，可作为解释变量。

(2)模型选择

普通线性回归模型(OLS)和地理加权回归模型(GWR)是解释全局性空间变量间关系的重要工具，不同的是，GWR模型对OLS模型在局部区域之间的差异性进行了改进。为了选择更适宜的模型，表1给出了OLS模型和GWR模型回归对比的结果。从生物质过程发电潜力来看，GWR模型回归分析的决定系数R2为0.896 8，大于OLS模型的0.633 5，同时GWR模型回归分析的阿凯克信息准则AICc值543.369 1小于OLS模型的552.295 3；从热化学过程发电潜力来看，OLS模型和GWR模型没有区别。综合对比结果，生物质过程发电潜力利用GWR模型；热化学过程利用OLS模型。

表1 OLS模型和GWR模型回归对比结果一览表

2 结果与分析

2.1 城市生活垃圾发电潜力计算结果

城市生活垃圾发电潜力(PGP)总体上呈现先加速后波动的长期趋势。2004～2017年间，全国发电潜力总体上呈现先加速增长，后快速下降的波动趋势，波动主要受热化学过程的影响。从不同发电过程来看，热化学过程发电潜力要显著高于生物质过程，后者最高为3.68亿kW，而前者可达64.32亿kW。同时，在时间变化上两者也呈现显著差异。生物质过程发电潜力如图1所示，2004年(假设填埋起始年)甲烷生成量为零，甲烷估算模型假设垃圾填埋后六个月填埋气才会开始产生，随后从2005～2017年(假设封厂年)甲烷生成率呈加速增长，继而发电潜力呈增长趋势。热化学过程发电潜力在2004～2010年同样呈加速增长趋势，如图2所示，但2011年以后明显下降，随后增长变化不大。这一结果尽管与我国实际用电需求相差较远，但这一技术能有效实现我国城市生活垃圾减量化的重大需求，同时对实现传统能源需求的部分替代提供了可能性。垃圾能源化是一个持续的动态过程，在城市生活垃圾逐年累积情景下，发电潜力将随时间变化呈增长态势。

图1 2004～2017年生物质过程发电潜力变化图

图2 2004～2017年热化学过程发电潜力变化图

两种技术在省际层面分布特征总体上表现为东部发达省份明显优于中部、西部。如图3所示，生物质过程发电潜力由西到东、由北向南呈现递增趋势，东部发达省份最高，其次为中部、东北部地区，西部地区最低。图4表明热化学过程发电潜力分布的地域性特征，东部省份明显要优于其他省份，而从省际间发电量来看，北京具有绝对优势，最高可达17.67亿kW，其次为广东7.36亿kW、辽宁7.23亿kW。

图3 省际间生物质过程发电潜力分布

图4 省际间热化学过程发电潜力分布图

2.2 垃圾能源化发电潜力的空间相关性分析结果

2.2.1 全局空间相关性

生物质过程发电潜力空间相关显著性由负到正。Moran’s I分别为-0.119、0.187、0.150，2009年空间相关性较弱，呈分散模式，到2013年由负相关变为正相关，2013～2017年Moran’s I相对平稳，说明空间相关显著性有所增强，集聚态势明显。

热化学过程发电潜力空间相关显著性均为正，但聚集水平呈减弱趋势。由于部分省份数值缺失，将缺失省份用当年热化学过程发电潜力所有样本平均截面数据代替。结果显示存在正向空间自相关，但随着时间推移空间正相关逐渐减弱，Moran’s I由2009年的0.186、2013年的0.004 6逐步减少到2017年0.002 9。

2.2.2 局部空间相关性

局部空间相关性结果表明，发电潜力在空间上具有Low-Low(LL)聚类特征，Low-High(LH)聚类和High-Low(HL)，聚类显著性较弱。

生物质过程发电潜力LL聚类省份较多，空间分布格局呈现为集中式面状分布。如图5所示，2009年，LL聚类区域主要集中于新疆、青海、甘肃、四川、内蒙古、宁夏、四川7个省份；LH聚类主要集中于江西、福建、安徽3个省份。2013年，LL聚类区域范围有所缩减，集中于新疆、西藏、青海、甘肃、内蒙古5个省份；LH聚类区域范围有所减少，集中于江西、福建2个省份；HL聚类集中在四川1个省份。2017年，LL聚类区域集中于新疆、西藏、青海、甘肃4个省份；LH聚类空间格局较为稳定，集中于江西、福建2个省份；HL聚类空间格局较为稳定，集中在四川1个省份。

图5 生物质过程发电潜力影响因素回归系数空间分布图

热化学过程发电潜力以LL聚类为主要特征，同样呈现局部集中分布。如图6所示，2009年，LL聚类区域主要为内蒙古、山西2个省份；LH聚类主要为山西1个省份，HH聚类区域为福建、上海2个省份。2013年，LL聚类区域范围有所变化，集中于湖北、陕西、四川3个省份；LH聚类区域范围为天津1个省(市)。2017年，LL聚类区域集中于西藏、甘肃、四川3个省份，LH聚类空间格局较为稳定，为天津1个省(市)。

图6 热化学过程发电潜力影响因素回归系数空间分布图

2.3 城市生活垃圾能源化发电潜力的影响因素

2.3.1 生物质过程发电潜力影响因素

从分析结果来看，城镇化率回归系数高值分布在东部、中部地区，是主要影响因素，对东北、中部地区的影响最大，对东南沿海地区影响相对较小，局部地区有负向的作用，城镇化率的增加可能对东南沿海地区发电潜力的增长具有反作用。

政府环境财政支出高值分布在广东、福建、江西、广西等东部沿海地区，低值分布在黑龙江、内蒙古、新疆、西藏等西部地区、东北地区，总体上由东南沿海地区向西部、东北地区逐渐递减趋势。由此可见，政府财政收入越高的地区，对环境支出越大。垃圾能源化项目一般采取特许经营和政府购买服务等模式，政府加大对垃圾能源化项目的财政支出，可有效推动垃圾能源化的加快发展。

技术市场成交额回归系数整体相对低，最大值分布在黑龙江、新疆、西藏，低值分布在福建、浙江、广东等，回归系数由东南向西北递增态势。技术市场成交额对生物质过程的影响程度并不高，但垃圾能源化技术的进步能够增加生物质过程的能源回收效率，同时还能减少运营成本，降低环境污染。

垃圾处理厂数量回归系数最大值在黑龙江、云南，低值分布在福建、浙江、广东等地区。垃圾处理厂需要有一定的规模和储存能力，东部经济发达地区人口密集，土地资源紧缺已成为建设垃圾处理厂的突出问题。

2.3.2 热化学过程发电潜力影响因素

热化学过程发电潜力4项影响因素的贡献率排序分别为政府环境财政支出<技术市场成交额<居民可支配收入<地区生产总值，且均具有正向作用。

地区生产总值回归系数高值在广东和山东，低值分布在东部和云南、四川等西南地区。地区生产总值反映了一个地区经济发展程度和居民的生活水平，越是经济发达地区，其热化学发电潜力可能越高。

政府环境财政支出回归系数高值在北京、上海及沿海地区，低值分布在中、西部和东部地区。政府对环境的财政支出是影响热化学过程的重要因素，政府通过购买服务的方式支持城市生活垃圾焚烧企业的运行，来自焚烧发电的补贴和政府对垃圾处理的补贴推动了我国垃圾焚烧发电项目的快速发展[28]。

技术市场成交额回归系数由东部向西部地区呈递减趋势。垃圾焚烧炉城市生活垃圾的热化学过程中的核心，工艺和设计技术直接影响到城市生活垃圾的处理效果和经济效益，也直接影响到后续烟气的处理[28]，技术提高能够改善热化学过程的垃圾能源化利用效率，有效实现垃圾减量化。

居民可支配收入回归系数高值分布在北京市、江苏、广东、陕西、湖北等，低值分布在山西、河南、福建、江西。随着居民可支配收入的增加，导致消费支出上升，影响着城市生活垃圾排放量及构成。

3 结论

(1)城市生活垃圾能源化的发电潜力技术可分为生物质过程和热化学过程。考察我国城市生活垃圾发电潜力，对垃圾减量化、实现部分能源替代具有重要的现实意义。

(2)2004～2017年间垃圾能源化发电潜力中，生物质过程发电潜力最高为3.68亿kW，热化学过程发电潜力可达64.32亿kW。尽管与我国实际用电需求相差较远，但垃圾能源化是一个持续的动态过程，在垃圾逐年累积情景下，发电潜力将随时间变化呈增长态势。

(3)垃圾能源化利用潜力在时空动态上具有不同的集聚特征，生物质过程随时间推移由空间负相关变为正相关；热化学过程存在正向空间自相关，但随着时间推移正相关逐渐减弱。局部空间相关性在不同区域分布以低聚集为特征。

(4)城镇化水平是影响生物质过程的主要因素，政府环境财政支出、技术市场成交额、垃圾处理厂数量是辅助因素；地区生产总值和居民可支配收入是影响热化学过程的主要因素，地区经济发展水平越高，热化学发电潜力可能越大。未来我国垃圾能源化的布局应考虑地区经济发展水平、城镇化水平等因素，重点布局在经济发展水平较高的东南沿海地区。