我國城市生活垃圾能源化利用潛力時空分析及影響因素分析☆

馬 濤，王曉磊，洪 濤，陳東旭，張文曦

(1.哈爾濱工業大學 經濟與管理學院，黑龍江 哈爾濱 150010；2.寧夏大學 經濟管理學院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

改革開放四十年，我國經濟增長舉世矚目，居民生活水平和城市規模也不斷提高和擴大。與此同時，城市生活垃圾的產生量也達到了前所未有的水平。“垃圾圍城”已經成為我國經濟社會環境可持續發展的重大問題。2016年我國214個大、中城市生活垃圾產生量就已達1.89億t[1]，占全球城市生活垃圾總量的9.4%[2]，同時未處理量已累計達到70億t，年均增長8%～10%[3]。國家相繼出臺了垃圾收集、分類、處理等相關政策措施，包括《“十三五”全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》、《生活垃圾分類制度實施方案》、《關于在全國地級及以上城市全面開展生活垃圾分類工作的通知》等，以應對日益嚴峻的城市生活垃圾問題。到2019年底，已有430多座垃圾能源化電廠投入運行，總焚燒量達45萬t/d，占城市垃圾發電總量的70%以上[4]。其中的一個典型案例是深圳深能環保鹽田垃圾發電廠，其日處理城市生活垃圾能力達到750 t，每100 t垃圾焚燒產生的電量可供一戶居民使用一個月。

城市生活垃圾包括餐廚垃圾、商業垃圾、建筑垃圾、危險垃圾等[5]，其中的可燃物質由82%的生物質和18%的石化廢棄物組成[6]，極高的生物質能比例使其具有作為清潔和可再生燃料用于電力和熱能生產的巨大潛力[7]，垃圾能源化就成為我國經濟社會可持續發展的戰略選擇。能源化不僅能有效解決城市生活垃圾自身的問題，還能有效推動能源結構轉型。我國是典型的以煤炭為主要能源的國家，煤炭在能源消費結構中的比重接近60%，預計CO2排放占全球的比重將在2030年前達到峰值[8]，能源戰略調整的步伐已明顯慢于全球趨勢。在垃圾減量化與能源結構調整雙重壓力下，垃圾能源化作為一項新興的清潔能源技術，將顯著改變我國能源消費的資源稟賦觀，為我國有效處理城市生活垃圾和實現2030年非化石能源消費占比20%、爭取在2060年前實現碳中和的戰略目標提供了現實可能。

近年來，能源化已經成為各國普遍接受的一種城市生活垃圾處理方式，可分為熱化學技術和生物質技術，前者包括焚燒、熱解和氣化，后者則是通過垃圾填埋后利用厭氧消化技術生產沼氣[9]，是可以滿足電力和熱力需求的、具有可持續利用的能源回收方式。經熱化學技術處理后，城市生活垃圾可以減少約10倍的體積[10]，而生物質技術可以減少15%～20%的溫室氣體排放[11]。希臘利用城市垃圾生物處理聯網系統發電的價格為87.85歐元/MWh，而非聯網系統的電價則為99.45歐元/MWh[12]；巴西垃圾填埋場可產生約41.7 MW的填埋氣，每個月為全國能源系統提供286 GJ的供熱量，足夠31.8萬個家庭使用[13]；伊朗德黑蘭唯一的垃圾轉化能源工廠使用氣化技術能夠產出3 MW的電力[7]；斯洛文尼亞三個沼氣熱電聯產工廠的發電能力可達到2 500 kW[14]。

垃圾能源化同時也是國際前沿和熱點研究課題。Federica Cucchiella 等人[15]根據未分類垃圾、填埋場垃圾和回收率確定意大利某一地區垃圾回收量，并對垃圾能源化的環境和經濟影響進行了評價。Atul Kumar[16]考察了垃圾能源化技術的應用類型、能源回收潛力和技術效益，以及對環境變化的影響。Munawar Khalil 等人[17]分析了印度尼西亞可持續能源需求現狀，提出優化沼氣生產基礎的重要挑戰，以此為政府提供合適的解決方案。A.C. (Thanos)Bourtsalasa等人[18]基于韓國城市生活垃圾的產生及處理情況，評估了韓國垃圾管理績效，并與其他發達國家進行了比較。Monojit Chakraborty等人[19]以印度新德里三個垃圾填埋場為實證研究，利用生物質、焚燒、氣化/熱解、垃圾衍生燃料和等離子弧氧化5種方式估算出理想條件下垃圾能源化的可能性。

盡管全球沒有任何國家的城市生活垃圾像我國這樣面臨著如此之大的規模和如此之快的增長速度[20]，但在全國層面上，城市垃圾能源化利用潛力究竟應如何評估，會對我國的能源化帶來何種影響，其影響因素又應怎樣認識？有鑒于此，本文致力于估算我國城市生活垃圾的能源化潛力，提煉其時空演化的規律性特征，剖析其影響因素及作用機理，據此指出垃圾能源化技術在不同區域間的適用性差異，為我國面向“十四五”時期推進美麗中國建設目標乃至2035年美麗中國目標的基本實現，提供一個可行的研究思路。

1 研究區域與研究方法

1.1 數據來源

以我國31個省(市、區)為研究對象，研究期為2004～2017年。其中，衛生填埋量、焚燒量數據來源于《中國統計年鑒》(2005～2018年)。垃圾能源化發電潛力的影響因素數據來源于《中國統計年鑒》(2018年)。

1.2 方法選擇

采用Monojit Chakraborty等[19]的方法，從城市生活垃圾總量上來評估能源潛力，適于對全國層面城市生活垃圾生物質發電潛力和熱化學發電潛力的計算。

1.2.1 生物質發電潛力計算方法

(1)

式中ERP——城市生活垃圾能源回收潛力/kWh；

BG——甲烷生產量最大值/m3·a-1，利用美國環境保護局(USEPA)開發的中國填埋氣模型(Land GEM)計算得到；

NCV——凈熱值，生物質過程通常取值0.218/kW·m-3。

依據ERP和甲烷轉化電量過程中的轉換效率η，城市生活垃圾凈發電潛力PGP計算公式為

(2)

η取值30%(全球不同地區垃圾能源化設施的燃燒效率為25%～30%[21]，甲烷轉化為能源比例約30%[22])。

BG計算公式為

BG=max(Q1)=

(3)

式中Qi——i年最大預計甲烷產生量/m3·a-1；

n——垃圾填埋累計時間/a；

j——每1/10/a；

k——甲烷產生率,1/a；

L0——最終甲烷產生潛力/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——甲烷濃度(以體積算)。

根據《中國填埋氣估算模型用戶手冊版本1.1》[23]，LandGEM設定了中國三個不同氣候區域，分別為區域1寒冷和干燥、區域2寒冷和潮濕、區域3炎熱和潮濕，根據氣候區域地圖對不同省份進行氣候區設定。k、L0、Mi、ti取值由模型選取的推薦值自動生成。鑒于各省城市生活垃圾填埋數據統計起始年限為2004年，故將開始填埋年份設定為2004年，封場年份設定為2017年，通過模型的Microsoft Excel平臺輔助計算獲得甲烷產生量。

1.2.2 熱化學發電潛力計算方法

ERP=W×NCV×1 000

(4)

PGP=W×NCV×ηTh×41.67

(5)

式中W——每年產生的干垃圾總量,t。

由于氣候和生活方式的差異，我國城市生活垃圾組成以高有機和高含水率為主，含水率為20%～60%左右，遠高于歐美國家的10%～30%[24]。根據陳國義[25]計算出部分城市生活垃圾含水率，估計各省(市、區)城市生活垃圾含水率取值,則W為城市生活垃圾焚燒量與非含水率的乘積。ηTh為熱化學過程轉換效率30%；NCV取值0.242 kW/m3,41.67取值參考Monojit Chakraborty等[19]。

1.2.3 空間相關性分析方法

(1)全局空間自相關

全局空間自相關用于描述某現象的整體分布，判斷此現象在空間中是否有聚集特性存在。通過全局Moran’s I指數描述發電潛力結果，計算公式如下

(6)

式中n——研究省份的數量；

xi,xj——省i和省j的觀測值；

wij——空間權重矩陣的元素值；

S2——觀測值的方差。

利用GeoDa軟件計算2009年、2013年、2017年垃圾能源化發電潛力的全局Moran’s I指數。

(2)局域空間自相關

局域空間自相關通過度量空間單元對整個研究范圍空間自相關的影響程度，影響程度大的是空間現象的聚集點。計算公式如下

(7)

利用局域空間自相關度量省際垃圾能源化潛力對于全國范圍空間自相關的影響程度，影響程度大的省份就是垃圾能源化潛力的聚集點，并繪制LISA聚集圖直觀了解差異分布格局。

1.2.4 影響因素分析方法

(1)影響變量選擇

城市垃圾量受人口規模、經濟發展水平影響較大，同時季節性、管理成熟度、垃圾特征、可用土地面積、可用資本、技術復雜性、勞動力技能、垃圾廠地理位置和技術效率等差異決定了能源化技術的選擇模式[26-27]，另外政府對垃圾處理的政策支持和財政支出也是垃圾能源化潛力的主要因素。本文嘗試選取地區生產總值、城鎮化水平、居民可支配收入、垃圾處理廠數量、政府環境財政支出、技術市場成交額等作為影響垃圾能源化潛力的變量。

利用SPSS對所有變量進行Pearson相關分析和多重共線性診斷。生物質發電潛力分析中，城鎮化水平、垃圾處理廠數量、政府環境財政支出、技術市場成交額4項因子通過顯著性檢驗，可作為解釋變量；熱化學過程發電潛力中的地區生產總值、居民可支配收入、政府環境財政支出、技術市場成交額4項因子通過顯著性檢驗，可作為解釋變量。

(2)模型選擇

普通線性回歸模型(OLS)和地理加權回歸模型(GWR)是解釋全局性空間變量間關系的重要工具，不同的是，GWR模型對OLS模型在局部區域之間的差異性進行了改進。為了選擇更適宜的模型，表1給出了OLS模型和GWR模型回歸對比的結果。從生物質過程發電潛力來看，GWR模型回歸分析的決定系數R2為0.896 8，大于OLS模型的0.633 5，同時GWR模型回歸分析的阿凱克信息準則AICc值543.369 1小于OLS模型的552.295 3；從熱化學過程發電潛力來看，OLS模型和GWR模型沒有區別。綜合對比結果，生物質過程發電潛力利用GWR模型；熱化學過程利用OLS模型。

表1 OLS模型和GWR模型回歸對比結果一覽表

2 結果與分析

2.1 城市生活垃圾發電潛力計算結果

城市生活垃圾發電潛力(PGP)總體上呈現先加速后波動的長期趨勢。2004～2017年間，全國發電潛力總體上呈現先加速增長，后快速下降的波動趨勢，波動主要受熱化學過程的影響。從不同發電過程來看，熱化學過程發電潛力要顯著高于生物質過程，后者最高為3.68億kW，而前者可達64.32億kW。同時，在時間變化上兩者也呈現顯著差異。生物質過程發電潛力如圖1所示，2004年(假設填埋起始年)甲烷生成量為零，甲烷估算模型假設垃圾填埋后六個月填埋氣才會開始產生，隨后從2005～2017年(假設封廠年)甲烷生成率呈加速增長，繼而發電潛力呈增長趨勢。熱化學過程發電潛力在2004～2010年同樣呈加速增長趨勢，如圖2所示，但2011年以后明顯下降，隨后增長變化不大。這一結果盡管與我國實際用電需求相差較遠，但這一技術能有效實現我國城市生活垃圾減量化的重大需求，同時對實現傳統能源需求的部分替代提供了可能性。垃圾能源化是一個持續的動態過程，在城市生活垃圾逐年累積情景下，發電潛力將隨時間變化呈增長態勢。

圖1 2004～2017年生物質過程發電潛力變化圖

圖2 2004～2017年熱化學過程發電潛力變化圖

兩種技術在省際層面分布特征總體上表現為東部發達省份明顯優于中部、西部。如圖3所示，生物質過程發電潛力由西到東、由北向南呈現遞增趨勢，東部發達省份最高，其次為中部、東北部地區，西部地區最低。圖4表明熱化學過程發電潛力分布的地域性特征，東部省份明顯要優于其他省份，而從省際間發電量來看，北京具有絕對優勢，最高可達17.67億kW，其次為廣東7.36億kW、遼寧7.23億kW。

圖3 省際間生物質過程發電潛力分布

圖4 省際間熱化學過程發電潛力分布圖

2.2 垃圾能源化發電潛力的空間相關性分析結果

2.2.1 全局空間相關性

生物質過程發電潛力空間相關顯著性由負到正。Moran’s I分別為-0.119、0.187、0.150，2009年空間相關性較弱，呈分散模式，到2013年由負相關變為正相關，2013～2017年Moran’s I相對平穩，說明空間相關顯著性有所增強，集聚態勢明顯。

熱化學過程發電潛力空間相關顯著性均為正，但聚集水平呈減弱趨勢。由于部分省份數值缺失，將缺失省份用當年熱化學過程發電潛力所有樣本平均截面數據代替。結果顯示存在正向空間自相關，但隨著時間推移空間正相關逐漸減弱，Moran’s I由2009年的0.186、2013年的0.004 6逐步減少到2017年0.002 9。

2.2.2 局部空間相關性

局部空間相關性結果表明，發電潛力在空間上具有Low-Low(LL)聚類特征，Low-High(LH)聚類和High-Low(HL)，聚類顯著性較弱。

生物質過程發電潛力LL聚類省份較多，空間分布格局呈現為集中式面狀分布。如圖5所示，2009年，LL聚類區域主要集中于新疆、青海、甘肅、四川、內蒙古、寧夏、四川7個省份；LH聚類主要集中于江西、福建、安徽3個省份。2013年，LL聚類區域范圍有所縮減，集中于新疆、西藏、青海、甘肅、內蒙古5個省份；LH聚類區域范圍有所減少，集中于江西、福建2個省份；HL聚類集中在四川1個省份。2017年，LL聚類區域集中于新疆、西藏、青海、甘肅4個省份；LH聚類空間格局較為穩定，集中于江西、福建2個省份；HL聚類空間格局較為穩定，集中在四川1個省份。

圖5 生物質過程發電潛力影響因素回歸系數空間分布圖

熱化學過程發電潛力以LL聚類為主要特征，同樣呈現局部集中分布。如圖6所示，2009年，LL聚類區域主要為內蒙古、山西2個省份；LH聚類主要為山西1個省份，HH聚類區域為福建、上海2個省份。2013年，LL聚類區域范圍有所變化，集中于湖北、陜西、四川3個省份；LH聚類區域范圍為天津1個省(市)。2017年，LL聚類區域集中于西藏、甘肅、四川3個省份，LH聚類空間格局較為穩定，為天津1個省(市)。

圖6 熱化學過程發電潛力影響因素回歸系數空間分布圖

2.3 城市生活垃圾能源化發電潛力的影響因素

2.3.1 生物質過程發電潛力影響因素

從分析結果來看，城鎮化率回歸系數高值分布在東部、中部地區，是主要影響因素，對東北、中部地區的影響最大，對東南沿海地區影響相對較小，局部地區有負向的作用，城鎮化率的增加可能對東南沿海地區發電潛力的增長具有反作用。

政府環境財政支出高值分布在廣東、福建、江西、廣西等東部沿海地區，低值分布在黑龍江、內蒙古、新疆、西藏等西部地區、東北地區，總體上由東南沿海地區向西部、東北地區逐漸遞減趨勢。由此可見，政府財政收入越高的地區，對環境支出越大。垃圾能源化項目一般采取特許經營和政府購買服務等模式，政府加大對垃圾能源化項目的財政支出，可有效推動垃圾能源化的加快發展。

技術市場成交額回歸系數整體相對低，最大值分布在黑龍江、新疆、西藏，低值分布在福建、浙江、廣東等，回歸系數由東南向西北遞增態勢。技術市場成交額對生物質過程的影響程度并不高，但垃圾能源化技術的進步能夠增加生物質過程的能源回收效率，同時還能減少運營成本，降低環境污染。

垃圾處理廠數量回歸系數最大值在黑龍江、云南，低值分布在福建、浙江、廣東等地區。垃圾處理廠需要有一定的規模和儲存能力，東部經濟發達地區人口密集，土地資源緊缺已成為建設垃圾處理廠的突出問題。

2.3.2 熱化學過程發電潛力影響因素

熱化學過程發電潛力4項影響因素的貢獻率排序分別為政府環境財政支出<技術市場成交額<居民可支配收入<地區生產總值，且均具有正向作用。

地區生產總值回歸系數高值在廣東和山東，低值分布在東部和云南、四川等西南地區。地區生產總值反映了一個地區經濟發展程度和居民的生活水平，越是經濟發達地區，其熱化學發電潛力可能越高。

政府環境財政支出回歸系數高值在北京、上海及沿海地區，低值分布在中、西部和東部地區。政府對環境的財政支出是影響熱化學過程的重要因素，政府通過購買服務的方式支持城市生活垃圾焚燒企業的運行，來自焚燒發電的補貼和政府對垃圾處理的補貼推動了我國垃圾焚燒發電項目的快速發展[28]。

技術市場成交額回歸系數由東部向西部地區呈遞減趨勢。垃圾焚燒爐城市生活垃圾的熱化學過程中的核心，工藝和設計技術直接影響到城市生活垃圾的處理效果和經濟效益，也直接影響到后續煙氣的處理[28]，技術提高能夠改善熱化學過程的垃圾能源化利用效率，有效實現垃圾減量化。

居民可支配收入回歸系數高值分布在北京市、江蘇、廣東、陜西、湖北等，低值分布在山西、河南、福建、江西。隨著居民可支配收入的增加，導致消費支出上升，影響著城市生活垃圾排放量及構成。

3 結論

(1)城市生活垃圾能源化的發電潛力技術可分為生物質過程和熱化學過程。考察我國城市生活垃圾發電潛力，對垃圾減量化、實現部分能源替代具有重要的現實意義。

(2)2004～2017年間垃圾能源化發電潛力中，生物質過程發電潛力最高為3.68億kW，熱化學過程發電潛力可達64.32億kW。盡管與我國實際用電需求相差較遠，但垃圾能源化是一個持續的動態過程，在垃圾逐年累積情景下，發電潛力將隨時間變化呈增長態勢。

(3)垃圾能源化利用潛力在時空動態上具有不同的集聚特征，生物質過程隨時間推移由空間負相關變為正相關；熱化學過程存在正向空間自相關，但隨著時間推移正相關逐漸減弱。局部空間相關性在不同區域分布以低聚集為特征。

(4)城鎮化水平是影響生物質過程的主要因素，政府環境財政支出、技術市場成交額、垃圾處理廠數量是輔助因素；地區生產總值和居民可支配收入是影響熱化學過程的主要因素，地區經濟發展水平越高，熱化學發電潛力可能越大。未來我國垃圾能源化的布局應考慮地區經濟發展水平、城鎮化水平等因素，重點布局在經濟發展水平較高的東南沿海地區。