第39卷，总第226期2021年3月，第2期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY
Vol.39,Sum.No.226
智能公话Mar.2221,No.2
及影响因素分析☆
马涛,，王晓磊,，洪涛，陈东旭，张文曦2
(1.哈尔滨工业大学经济与管理学院，黑龙江哈尔滨150212；
2.宁夏大学经济管理学院，宁夏银川750225)
摘要：本文分析了我国城市生活垃圾能源化的发电潜力。分别利用生物质过程和热化学过程发电潜力方 法计算出省际间的垃圾可发电量，运用空间相关性分析考察省际间全局空间自相关和局域空间自相关的分布特征，运用普通线性回归模型(OLS)和地理加权回归模型(GWR)分析了垃圾能源化发电潜力的影响因素。结果显示2024~2257年全国生物质过程发电潜力最高达3.68亿kW，热化学过程发电潜力达64.32亿kW；发电潜力的分布呈现出显著的区域差异，不同年份具有不同的集聚特征；城镇化水平、政府环境财政支出、技术市场成交额、垃圾处理厂数量是生物质发电潜力的影响因素，地区生产总值、居民可支配收入、政府环境财政支出、技术市场成交额是热化学发电潜力的影响因素。垃圾能源化作为新兴的可再生能源技术，为有效实现我国城市生活垃圾减量化的重大需求和传统能源部分替代提供了可能性。
关键词：垃圾能源化；城市生活垃圾；发电潜力；时空分析；影响因素
中图分类号:TK219文献标识码：A文章编号：1022-6339(2225)22-0299-28
Temporal and Spatial Variation&Influence Factors Analysis of
Waste-to-energy Utilization Poteetial fos Municipal SoliO Wasto io Chioa
MA Tao5,WANG Xiao-lei5,HONG Tao5,CHEN Dong-xu5, ZHANG Wen-xi2
(5.School of Management,Harbia Institutn of Technology,Harbin150215,Ching；
2.Uchool of Ecoaomics ang Manayemeni,Ningxin University,Yiachuaa750225China)
Abstract：In this study,tUc Municipal Uolid Waste(MSW)waste-tn-energy in China was analyzeC for estimating tic Powcs Generatioo Potential(PGP).Usina tic biochemicoO and thegnochemical process tn colchlaic thn powna betueen provinces,spatiaO correlatioo analysis approach was used fos estimatina thn spatiaO distrinutioa charactebstics,tUc yeneraC Cnear regressma modet ang geoaraphma(weighted regres-sioo modet for analyzing tUe inOuence factors.The results showed that tUe PGP oO biomass process is up
收稿日期2222-15-15修订稿日期2222-15-12☆编辑推荐基金项目：城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)自主课题“基于主体功能核算的水资源优化配置”(2219DX14)；国家自然基金专项项目"十四五”重大生产力布局研究(71550025)；国家自然基金面上项目“水资源与能源约束下主体功能核算及实现机制研究”(71974246)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“支撑高质量发展国土空间治理体系的自然资源平衡表原理设计与应用开发”(HIO.HSS.221839)；IECT国际清洁能源拔尖创新人才培养项目(221822180299)
作者简介：马涛(1579~)，男，博士，教授，主要研究方向为中国经济与区域经济，资源能源环境可持续性与政策。
-
99-
to368million kW,and that of thermochemical process is up to6.432million kW from2004to2017. MSW wastr-to-errgy potertiai wero distriOuteS with signiOcadt ogioidi disparitirs and diversifyind clusterind characteristics of varions years.All factors such as urbanization level,yovernmentai fiscai ex-pendituro foa enannment,transaction volume of technical marbel,quatity of waste tadmedt plats are ton inOuenciai factors Uiochemicai PGP;while maio inOuentiai Octon of tUermochemicai PGP were yrosc renionai domestic proOuct,anirnai disposaniv：口＜3011^of nsioents.ant yovemmentai iic-cai expendituro foo environmeni ant transaction velume of technical maroei.A c cc renewanie eneroy techdolovy,wasie-to-eneroy proviOec a possiOOity On Cniim to eeectivefy reeliae tOe yoat deen of MSW and panialiy replaca a traditionai eneroy sonrees.
Key words:wasie-to-eneroy;municipd soliO wate;powee yeneradon potentiai;spatiotemporai analysis wasie eneroy;inOuenca factoe
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。2217年我国214个大、中城市生活垃圾产生量就已达4.49亿i4，占全球城市生活垃圾总量的9.3%［2］，同时未处理量已累计达到70亿t，年均增长9%~17%［6］0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2217年底，已有436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⑷。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700i，每170t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⑸，其中的可燃物质由92%的生物质和18%的石化废弃物组成⑷，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切，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68%，预计CO?排放占全球的比重将在2036年前达到峰值⑷，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2236年非化石能源消费占比22%、争取在2260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2］，是可以满足电力和热力需求的、具有可持续利用的能源回。热化学技术理，城市生
减少约17倍的体积26，而生物质技术可以减少17%~22%的温室气体排放27］。希腊利用城市垃圾生物处理联网系统发电的价格为90.90欧元/MWh，而非联网系统的电价则为99.40欧元/MWh22］；巴
产生约3740MW的，每月为全国能源系统提供286GJ的供热量，足够31.9万个家庭使用27］；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3MW的电力2〕；斯洛文尼亚三个沼气热电联产工厂的发电能力可达到2500kW20］。
垃圾能源化同时也是国际前沿和热点研究课题。Fedenca Cucchiella等人270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，能源化的环境行。Atul Kumar26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。Munawae Khalit等人27］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.(^3^8) BonOsalasa等人27］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 Chanranony等人279以印度新德里三个垃圾填埋场为实证研究，利用生物
-
170-
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 度匕2，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2235年美丽中国目标的基本实现，提供一个 可行的研究思路。
5研究区域与研究方法
52数据来源
以我国35个省（市、区）为研究对象，研究期为
2222 -2257年。其中，卫生填埋量、焚烧量数据来
源于《中国统计年鉴》（2025 ~2218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》（2215年）。
5-6方法选择
采用Monojit Chakranogy 等[15]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。
5.6.3生物质发电潜力计算方法
BG x NCV
2.242
(5)
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/m 5-a-5，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
2.218/kW ・m -5。
依据ERP 和甲烷转化电量过程中的转换效率
n 城市生活垃圾净发电潜力PGP 计算公式为
PGP = ER 2
p 2 n
（2）
n 取值39% （全球不同地区垃圾能源化设施的
燃烧效率为25% ~39%[25]，甲烷转化为能源比例约
39% [22]）。
BG 计算公式为
BG 二 mau （ 05 ）二
蠱2若匚川
式中 0——i 年最大预计甲烷产生量/m 9-a-5;
n ---垃圾填埋累计时间/a ;
j ---每 5/12/a ;k ---甲烷产生率,1/a;
L 。 —
—最终甲烷产生潜力/m 9 • t -5 ;M , —
—第i 年里填埋的垃圾量/t ；如一一第i 年里填埋的第j 部分垃圾的年份；
北冰红葡萄酒
C ch 2---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5. 3》29丄andGEM 设定了中国三个不同气候区
域，分别为区域5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。队、2川、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2222年，故将开始填埋年份设定为
2024年，封场年份设定为2257年，通过模型的纳米二氧化钛涂料
MicrosoO ExcS 平台辅助计算获得甲烷产生量。
5.2.2热化学发电潜力计算方法
ERP =甲X NCVx 5 002
（2）PGP = W x NCV x V tu X25.27
（5）
式中W ——每年产生的干垃圾总量,i
由于 候 生 的 , 国城市生
圾组成以高有机和高含水率为主，含水率为20% -
66%左右，远高于欧美国家的15% ~39%[2]0根据
陈国义炉]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。nh 为热化学
过程转换效率39% ；NCV 取值0.642 kW/m 3,45.67
取值参考 Moaojit Chanranogy 等[19] 0
5.2.3 空间相关性分析方法
（5）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Moraa' s I 指数描述发电潜力结果，计算公式
下
" 5 Y " 5叫（如-刁（巧-刁
I =
---------------------------- （6）
律,=5二=5叫
式中n 一一究省份的数量；
叫,——省i 和省j 的观测值；丘——平均值；
叫"一一空间权重矩阵的元素值；
S 2——观测值的方差0
(9)
-155
•
利用软件计算2009年、2413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
局域空间自量空间单元对整个研究范围空间自的程度，影响程度大的是空间现象的聚集点。计算公下
1(=("S")E W"(("-刁(7)
=5
利用局域空间自量省际垃圾能源化潜力对于全国范围空间自的程度，影响程度大的省份就是能源化潜力的聚集点，并绘制LIEA 聚集图直观了解布格局。
5.2.4影响因素分析方法
(5)影响变量选择
城市量受人口规模、经济发展水平影响较大，同时季节性、管理成熟度、、可用土地面积、可用资本、技术复杂性、劳动力技能、、理位置和技术效决定了能源化技术的选择模式⑦-27，另外政府对垃圾处理的政策支持和财政支是能源化潜力的主。本文尝试选取生产总值、城镇化水平、支配收入、垃圾处理厂数量、政府环境财政支出、技术市交额等
能源化潜力的变量。
SPSS对所有变量进行Peersoa相关分析和多重共线性诊断。生物质发电潜力中，城镇化水平、理厂数量、政府环境财政支出、技术市交额4项显著性检验，解释变量；热化学过程发电潜力中的生产总值、、J 支配收入、政府环境财政支出、技术市交额4项显著性检验，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的重要工具，的是,GWR模型对OLS模型在局部间的行。选择更适宜的模型，1给OLS模型和GWR模型回归对比的结果o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0.6963，大于OLS模型的0.6335, GWR模型回归的阿凯克信AICc 值543.3695小于OLS模型的552.2953；从热化学程发电潜力来看，OLS模型和GWR模型'区别。比结果，生物质过程发电潜力GWR 型；热化学过程OLS模型。
表5OLS模型和GWR模型回归对比结果一览表
生物质过程发电潜力热化学过程发电潜力R2Adjusten R2AICc R2AdjusteS R2AICc OLS模型0.63350.5329552.29530.3273m5757.6373 GWR模型0.39630.3152543.3695———
2结果与分析
2.1城市生活垃圾发电潜力计算结果
城市生发电潜力(PGP)总体上呈现先加动的长期趋势。2004〜2015年间，全国发电潜力总体上呈现先加，下降的波动趋势，波动主要受热化学过程的。从发电过程来看，热化学过程发电潜力要显著高于生物质过程，最高为3.23亿kW，而62.32亿kW。同，在时间变化上现显著。生物质过程发电潜力如图5所示,2004年(起始年)甲烷生成量，甲烷估算模型
月才始产生，随后从2005〜2015年(假设封厂年)甲烷生加，继而发电潜力呈增长趋势。热化学过程发电潜力在2002-年加趋势，如图2，但2015年明显下降，变化不大。这一结果与我国实远，但这一技术能有效实现我国城市生减量化的重大，实现能源的部供能。能源化是一的动态过程，在城市生逐年累积情景下，发电潜力将间变化呈态势。
年份
图52004~2015年生物质过程发电潜力变化图
技术在省面分布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，西部最低。图4表明热化学过程发电潜力分布的地，东部省份明显要优于其他省份，而从省际间发电量来看，北京具优势，最高17.67 kW，其东7.36亿kW、辽宁7.23亿kW。
-102
•
xlO 5
353025201510
1.00.5
-0.5-1.0
年份
图
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o o o o o O 6 5 4 3 2 12017年热化学过程发电潜力变化图
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細»舉
图6省际间生物质过程发电潜力分布
x 10408642004
1111111111
86
420
Hlllllll ................................................................芒紳紳紳純紳紳紳純芒紳紳純凶紳紳凶純怛紳凶純芒凶純紳紳紳純凶紳 怅帙卜氓帙貝瓯戦畀妲軀舷三聊陋貝咫丢宦避般妲妣浜捷區避避据宓且 科匚加谿m 克且脾回宀琳聊囘血日徑■皿呃刪回闻祀X血也且坯變Hmm
楼郦楼 楼 栢 糜典 茨 回 聯 m 陋 炬 w s
省份
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。Moon's I 分别为-0. 119、0. lOO 、. 150,2009 年空
间
, ，到2013年由 变 ，2013 〜2017 年 Momn's I
明空间
显著
，集聚态势明显。
热化学过程发电潜力空间 显著
聚集水 减弱趋势。由于部分省份数值 ，
将 省份
年热化学过程发电潜力 本平
面数
。结果显示存 空间自相关,
间推移空间
逐渐减弱,Moras' I 由
2009年的0. 186、2013年的0. 004 6逐步减少到 2010 年0.002 9o
2.2.2局部空间相关性
局部空间
结果表明，发电潜力在空间上
具有 Low -Low(LL )聚 ，Low - High ( LH )聚
High - Low( HL )，聚类显著性较弱。
兔毛纱线
生物质 程发 潜力 LL 聚 省份 ， 空间
分布格局呈现
中式面 布。如图0 ,,
2009年,LL 聚
主 中于 、青海、、
四川、卩 、宁夏、四川0个省份;LH 聚类主要集
中于 、福建、安徽3个省份。2013年,LL 聚类区
范
减，集中于 、西藏、青海、甘肃、内
5个省份;LH 聚
范
减少，集中于
、福建2个省份;HL 聚 中在四川1个省份。
2017年,LL 聚
中于 、西藏、青海、甘肃
4个省份;LH 聚类空间格局
，集中于江西、
2个省份;HL 聚类空间格局
，集中在
四 7 省份。
热化学 程发 潜力 LL 聚 主
现局部集中分布。如图8所示,2009年丄L
聚 主
、山西2个省份;LH 聚类主
1个省份,HH 聚 、上海2个
省份。2013年,LL 聚
范
变化，集中于
北、陕西、四川3个省份;LH 聚 范
转向助力油管
7个省(市)o 2017年,LL 聚类区域集中于西藏、甘
、四川3个省份,LH 聚类空间格局
，为天
7 省( 市)。
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 结果来看，城镇化率回归系数高值分布
在东部、中部
，是主 ，对东北、中部地
的 最大，对东南 ，局部
的 ，城镇化率的增加可能对东南沿发电潜力的
具
环境财政支出高值分布
东、福建、江
、 东部
，低值分布
、内蒙
古、新疆、 部 、东北 ，总体上由东南
部、东北地区逐渐递减趋势。由此可
，政府财 入越高的 ，对环境支 大。垃 能源化项目一般采取
务等
，政府加大 能源化项目的财政支出，可有
效推动 能源化的加快发展。
技术市
交额回归系数整体
低，最大值
布
、 、 ， 低值 布 、东等，回归系数由东南
制作简单机械北递增态势。技术市
交额 生物质 程的 程 高，
能源化技术的 步能 加生物质 程的能源回
效率，同时还能减少运 本，降低环境 。
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