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(yè)大學(xué) 經(jīng)濟與管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150010；2.寧夏大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引言

改革開放四十年，我國經(jīng)濟增長舉世矚目，居民生活水平和城市規(guī)模也不斷提高和擴大。與此同時，城市生活垃圾的產(chǎn)生量也達(dá)到了前所未有的水平?！袄鴩恰币呀?jīng)成為我國經(jīng)濟社會環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重大問題。2016年我國214個大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量就已達(dá)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(dá)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(guān)政策措施，包括《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》、《生活垃圾分類制度實施方案》、《關(guān)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(yīng)對日益嚴(yán)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(dá)45萬t/d，占城市垃圾發(fā)電總量的70%以上[4]。其中的一個典型案例是深圳深能環(huán)保鹽田垃圾發(fā)電廠，其日處理城市生活垃圾能力達(dá)到750 t，每100 t垃圾焚燒產(chǎn)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(yè)垃圾、建筑垃圾、危險垃圾等[5]，其中的可燃物質(zhì)由82%的生物質(zhì)和18%的石化廢棄物組成[6]，極高的生物質(zhì)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(chǎn)的巨大潛力[7]，垃圾能源化就成為我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中的比重接近60%，預(yù)計CO2排放占全球的比重將在2030年前達(dá)到峰值[8]，能源戰(zhàn)略調(diào)整的步伐已明顯慢于全球趨勢。在垃圾減量化與能源結(jié)構(gòu)調(diào)整雙重壓力下，垃圾能源化作為一項新興的清潔能源技術(shù)，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(xiàn)2030年非化石能源消費占比20%、爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)提供了現(xiàn)實可能。

近年來，能源化已經(jīng)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(xué)技術(shù)和生物質(zhì)技術(shù)，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(shù)生產(chǎn)沼氣[9]，是可以滿足電力和熱力需求的、具有可持續(xù)利用的能源回收方式。經(jīng)熱化學(xué)技術(shù)處理后，城市生活垃圾可以減少約10倍的體積[10]，而生物質(zhì)技術(shù)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(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電的價格為87.85歐元/MWh，而非聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電價則為99.45歐元/MWh[12]；巴西垃圾填埋場可產(chǎn)生約41.7 MW的填埋氣，每個月為全國能源系統(tǒng)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(zhuǎn)化能源工廠使用氣化技術(shù)能夠產(chǎn)出3 MW的電力[7]；斯洛文尼亞三個沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工廠的發(fā)電能力可達(dá)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(jù)未分類垃圾、填埋場垃圾和回收率確定意大利某一地區(qū)垃圾回收量，并對垃圾能源化的環(huán)境和經(jīng)濟影響進行了評價。Atul Kumar[16]考察了垃圾能源化技術(shù)的應(yīng)用類型、能源回收潛力和技術(shù)效益，以及對環(huán)境變化的影響。Munawar Khalil 等人[17]分析了印度尼西亞可持續(xù)能源需求現(xiàn)狀，提出優(yōu)化沼氣生產(chǎn)基礎(chǔ)的重要挑戰(zhàn)，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(chǎn)生及處理情況，評估了韓國垃圾管理績效，并與其他發(fā)達(dá)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(zhì)、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(guī)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(yīng)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(yīng)怎樣認(rèn)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(guī)律性特征，剖析其影響因素及作用機理，據(jù)此指出垃圾能源化技術(shù)在不同區(qū)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(shè)目標(biāo)乃至2035年美麗中國目標(biāo)的基本實現(xiàn)，提供一個可行的研究思路。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以我國31個省(市、區(qū))為研究對象，研究期為2004～2017年。其中，衛(wèi)生填埋量、焚燒量數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(2005～2018年)。垃圾能源化發(fā)電潛力的影響因素數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)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(zhì)發(fā)電潛力和熱化學(xué)發(fā)電潛力的計算。

1.2.1 生物質(zhì)發(fā)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(chǎn)量最大值/m3·a-1，利用美國環(huán)境保護局(USEPA)開發(fā)的中國填埋氣模型(Land GEM)計算得到；

NCV——凈熱值，生物質(zhì)過程通常取值0.218/kW·m-3。

依據(jù)ERP和甲烷轉(zhuǎn)化電量過程中的轉(zhuǎn)換效率η，城市生活垃圾凈發(fā)電潛力PGP計算公式為

(2)

η取值30%(全球不同地區(qū)垃圾能源化設(shè)施的燃燒效率為25%～30%[21]，甲烷轉(zhuǎn)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(yù)計甲烷產(chǎn)生量/m3·a-1；

n——垃圾填埋累計時間/a；

j——每1/10/a；

k——甲烷產(chǎn)生率,1/a；

L0——最終甲烷產(chǎn)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(jù)《中國填埋氣估算模型用戶手冊版本1.1》[23]，LandGEM設(shè)定了中國三個不同氣候區(qū)域，分別為區(qū)域1寒冷和干燥、區(qū)域2寒冷和潮濕、區(qū)域3炎熱和潮濕，根據(jù)氣候區(qū)域地圖對不同省份進行氣候區(qū)設(shè)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(shù)據(jù)統(tǒng)計起始年限為2004年，故將開始填埋年份設(shè)定為2004年，封場年份設(shè)定為2017年，通過模型的Microsoft Excel平臺輔助計算獲得甲烷產(chǎn)生量。

1.2.2 熱化學(xué)發(fā)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(chǎn)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(yuǎn)高于歐美國家的10%～30%[24]。根據(jù)陳國義[25]計算出部分城市生活垃圾含水率，估計各省(市、區(qū))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(xué)過程轉(zhuǎn)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(guān)性分析方法

(1)全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)用于描述某現(xiàn)象的整體分布，判斷此現(xiàn)象在空間中是否有聚集特性存在。通過全局Moran’s I指數(shù)描述發(fā)電潛力結(jié)果，計算公式如下

(6)

式中n——研究省份的數(shù)量；

xi,xj——省i和省j的觀測值；

wij——空間權(quán)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(fā)電潛力的全局Moran’s I指數(shù)。

(2)局域空間自相關(guān)

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

(7)

利用局域空間自相關(guān)度量省際垃圾能源化潛力對于全國范圍空間自相關(guān)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(guī)模、經(jīng)濟發(fā)展水平影響較大，同時季節(jié)性、管理成熟度、垃圾特征、可用土地面積、可用資本、技術(shù)復(fù)雜性、勞動力技能、垃圾廠地理位置和技術(shù)效率等差異決定了能源化技術(shù)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(qū)生產(chǎn)總值、城鎮(zhèn)化水平、居民可支配收入、垃圾處理廠數(shù)量、政府環(huán)境財政支出、技術(shù)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(guān)分析和多重共線性診斷。生物質(zhì)發(fā)電潛力分析中，城鎮(zhèn)化水平、垃圾處理廠數(shù)量、政府環(huán)境財政支出、技術(shù)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(xué)過程發(fā)電潛力中的地區(qū)生產(chǎn)總值、居民可支配收入、政府環(huán)境財政支出、技術(shù)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(quán)回歸模型(GWR)是解釋全局性空間變量間關(guān)系的重要工具，不同的是，GWR模型對OLS模型在局部區(qū)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(jié)果。從生物質(zhì)過程發(fā)電潛力來看，GWR模型回歸分析的決定系數(shù)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(zhǔn)則AICc值543.369 1小于OLS模型的552.295 3；從熱化學(xué)過程發(fā)電潛力來看，OLS模型和GWR模型沒有區(qū)別。綜合對比結(jié)果，生物質(zhì)過程發(fā)電潛力利用GWR模型；熱化學(xué)過程利用OLS模型。

表1 OLS模型和GWR模型回歸對比結(jié)果一覽表

2 結(jié)果與分析

2.1 城市生活垃圾發(fā)電潛力計算結(jié)果

城市生活垃圾發(fā)電潛力(PGP)總體上呈現(xiàn)先加速后波動的長期趨勢。2004～2017年間，全國發(fā)電潛力總體上呈現(xiàn)先加速增長，后快速下降的波動趨勢，波動主要受熱化學(xué)過程的影響。從不同發(fā)電過程來看，熱化學(xué)過程發(fā)電潛力要顯著高于生物質(zhì)過程，后者最高為3.68億kW，而前者可達(dá)64.32億kW。同時，在時間變化上兩者也呈現(xiàn)顯著差異。生物質(zhì)過程發(fā)電潛力如圖1所示，2004年(假設(shè)填埋起始年)甲烷生成量為零，甲烷估算模型假設(shè)垃圾填埋后六個月填埋氣才會開始產(chǎn)生，隨后從2005～2017年(假設(shè)封廠年)甲烷生成率呈加速增長，繼而發(fā)電潛力呈增長趨勢。熱化學(xué)過程發(fā)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(jié)果盡管與我國實際用電需求相差較遠(yuǎn)，但這一技術(shù)能有效實現(xiàn)我國城市生活垃圾減量化的重大需求，同時對實現(xiàn)傳統(tǒng)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(xù)的動態(tài)過程，在城市生活垃圾逐年累積情景下，發(fā)電潛力將隨時間變化呈增長態(tài)勢。

圖1 2004～2017年生物質(zhì)過程發(fā)電潛力變化圖

圖2 2004～2017年熱化學(xué)過程發(fā)電潛力變化圖

兩種技術(shù)在省際層面分布特征總體上表現(xiàn)為東部發(fā)達(dá)省份明顯優(yōu)于中部、西部。如圖3所示，生物質(zhì)過程發(fā)電潛力由西到東、由北向南呈現(xiàn)遞增趨勢，東部發(fā)達(dá)省份最高，其次為中部、東北部地區(qū)，西部地區(qū)最低。圖4表明熱化學(xué)過程發(fā)電潛力分布的地域性特征，東部省份明顯要優(yōu)于其他省份，而從省際間發(fā)電量來看，北京具有絕對優(yōu)勢，最高可達(dá)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(zhì)過程發(fā)電潛力分布

圖4 省際間熱化學(xué)過程發(fā)電潛力分布圖

2.2 垃圾能源化發(fā)電潛力的空間相關(guān)性分析結(jié)果

2.2.1 全局空間相關(guān)性

生物質(zhì)過程發(fā)電潛力空間相關(guān)顯著性由負(fù)到正。Moran’s I分別為-0.119、0.187、0.150，2009年空間相關(guān)性較弱，呈分散模式，到2013年由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)，2013～2017年Moran’s I相對平穩(wěn)，說明空間相關(guān)顯著性有所增強，集聚態(tài)勢明顯。

熱化學(xué)過程發(fā)電潛力空間相關(guān)顯著性均為正，但聚集水平呈減弱趨勢。由于部分省份數(shù)值缺失，將缺失省份用當(dāng)年熱化學(xué)過程發(fā)電潛力所有樣本平均截面數(shù)據(jù)代替。結(jié)果顯示存在正向空間自相關(guān)，但隨著時間推移空間正相關(guān)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(guān)性

局部空間相關(guān)性結(jié)果表明，發(fā)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(zhì)過程發(fā)電潛力LL聚類省份較多，空間分布格局呈現(xiàn)為集中式面狀分布。如圖5所示，2009年，LL聚類區(qū)域主要集中于新疆、青海、甘肅、四川、內(nèi)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(qū)域范圍有所縮減，集中于新疆、西藏、青海、甘肅、內(nèi)蒙古5個省份；LH聚類區(qū)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(qū)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(wěn)定，集中于江西、福建2個省份；HL聚類空間格局較為穩(wěn)定，集中在四川1個省份。

圖5 生物質(zhì)過程發(fā)電潛力影響因素回歸系數(shù)空間分布圖

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

圖6 熱化學(xué)過程發(fā)電潛力影響因素回歸系數(shù)空間分布圖

2.3 城市生活垃圾能源化發(fā)電潛力的影響因素

2.3.1 生物質(zhì)過程發(fā)電潛力影響因素

從分析結(jié)果來看，城鎮(zhèn)化率回歸系數(shù)高值分布在東部、中部地區(qū)，是主要影響因素，對東北、中部地區(qū)的影響最大，對東南沿海地區(qū)影響相對較小，局部地區(qū)有負(fù)向的作用，城鎮(zhèn)化率的增加可能對東南沿海地區(qū)發(fā)電潛力的增長具有反作用。

政府環(huán)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(qū)，低值分布在黑龍江、內(nèi)蒙古、新疆、西藏等西部地區(qū)、東北地區(qū)，總體上由東南沿海地區(qū)向西部、東北地區(qū)逐漸遞減趨勢。由此可見，政府財政收入越高的地區(qū)，對環(huán)境支出越大。垃圾能源化項目一般采取特許經(jīng)營和政府購買服務(wù)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(fā)展。

技術(shù)市場成交額回歸系數(shù)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(shù)由東南向西北遞增態(tài)勢。技術(shù)市場成交額對生物質(zhì)過程的影響程度并不高，但垃圾能源化技術(shù)的進步能夠增加生物質(zhì)過程的能源回收效率，同時還能減少運營成本，降低環(huán)境污染。

垃圾處理廠數(shù)量回歸系數(shù)最大值在黑龍江、云南，低值分布在福建、浙江、廣東等地區(qū)。垃圾處理廠需要有一定的規(guī)模和儲存能力，東部經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)人口密集，土地資源緊缺已成為建設(shè)垃圾處理廠的突出問題。

2.3.2 熱化學(xué)過程發(fā)電潛力影響因素

熱化學(xué)過程發(fā)電潛力4項影響因素的貢獻(xiàn)率排序分別為政府環(huán)境財政支出<技術(shù)市場成交額<居民可支配收入<地區(qū)生產(chǎn)總值，且均具有正向作用。

地區(qū)生產(chǎn)總值回歸系數(shù)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(qū)。地區(qū)生產(chǎn)總值反映了一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展程度和居民的生活水平，越是經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，其熱化學(xué)發(fā)電潛力可能越高。

政府環(huán)境財政支出回歸系數(shù)高值在北京、上海及沿海地區(qū)，低值分布在中、西部和東部地區(qū)。政府對環(huán)境的財政支出是影響熱化學(xué)過程的重要因素，政府通過購買服務(wù)的方式支持城市生活垃圾焚燒企業(yè)的運行，來自焚燒發(fā)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(fā)電項目的快速發(fā)展[28]。

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

居民可支配收入回歸系數(shù)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(dǎo)致消費支出上升，影響著城市生活垃圾排放量及構(gòu)成。

3 結(jié)論

(1)城市生活垃圾能源化的發(fā)電潛力技術(shù)可分為生物質(zhì)過程和熱化學(xué)過程?？疾煳覈鞘猩罾l(fā)電潛力，對垃圾減量化、實現(xiàn)部分能源替代具有重要的現(xiàn)實意義。

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

(3)垃圾能源化利用潛力在時空動態(tài)上具有不同的集聚特征，生物質(zhì)過程隨時間推移由空間負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)；熱化學(xué)過程存在正向空間自相關(guān)，但隨著時間推移正相關(guān)逐漸減弱。局部空間相關(guān)性在不同區(qū)域分布以低聚集為特征。

(4)城鎮(zhèn)化水平是影響生物質(zhì)過程的主要因素，政府環(huán)境財政支出、技術(shù)市場成交額、垃圾處理廠數(shù)量是輔助因素；地區(qū)生產(chǎn)總值和居民可支配收入是影響熱化學(xué)過程的主要因素，地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平越高，熱化學(xué)發(fā)電潛力可能越大。未來我國垃圾能源化的布局應(yīng)考慮地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平、城鎮(zhèn)化水平等因素，重點布局在經(jīng)濟發(fā)展水平較高的東南沿海地區(qū)。