탄소중립과 시멘트산업 폐합성수지 적용기술
Carbon neutrality and the technology for the application of waste synthetic resin in the cement industry
권우택 Woo-Teck Kwon 한국세라믹기술원 수석연구원
E-mail : wtkwon@kicet.re.kr
1. 서 론
2016년 발효된 파리협정은 21세기 후반부에 탄소중립 구현을 목표로 하고 있으며, 유럽, 미국 및 중국 등 총120개국에서 온실 가스 배출저감 위한 탄소중립 동참을 선언하였다. 국내에서도 2020년 10월 28일 문재인 대통령이 2050년 탄소중립을 선언함에 따라 거스를 수없는 대세가 되었다.1) 이에 시멘트업계는 2050년 탄소중립 추진을 위한 산 학 연 관 협의체인 “시멘트그린뉴딜위 원회” 출범식을 개최하고 “2050 시멘트업계 탄소중립 도전 공동선언문”을 발표하였다.
폐합성수지 국내발생량은 2019년 기준 10,501천 톤이며,2) 1회용 용기사용 및 코로나로 인한 비대면 생활 일상화로 지속적 증 가가 예상되고 있다. 아울러 2017년 중국의 폐합성수지 수입금지 조치로 폐합성수지의 재활용문제가 사회적 이슈로 대두됨에 따 라 폐합성수지와 같은 고발열량 가연성 폐기물을 에너지 자원으로 활용할 수 있는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 폐합성수 지는 기존 유연탄대비 단위열량 당 이산화탄소 배출량이 적고, 이산화탄소 배출량 규제에도 적용을 받지 않아 환경 친화적 탄소 중립 연료로의 활용이 가능하다. 2019년 기준 시멘트업계 폐합성수지 사용량은 1,291천 톤으로 종이류와 같은 가연성 연료를 모 두 포함하면 시멘트업계 연료 대체율 23 % 수준으로 매년 증가하고 있다.3) 하지만 2050 시멘트 업계 탄소중립 달성을 위해서는 폐합성수지 시멘트 열원사용 기술에 대한 한 단계 레벨 업이 필요한 시점이다.
2. 현황 및 전망 2.1 시멘트산업 현황
시멘트 산업은 소성온도 2,000 ℃이상의 고온이 요구되는 에너지 다소비산업일 뿐 아니라, 소성과정에서 석회석 분해에 의한 이산화탄소 배출이 불가결하다. 2016년 발효된 파리협정과 함께 국가 온실가스 감축목표를 2030년 배출전망치(BAU, Business
As Usual)대비 37 % 감축하는 것으로 설정하였다. 이에 따라 시멘트 산업에서는 약 239만 톤-CO2를 감축해야하는 실정이 다. 시멘트 산업에서 CO2 배출량은 2017년 기준 약 4,484만 톤 수준으로, CO2 감축을 위해 폐합성수지 등 가연성 폐기물 의 연료전환, 공정효율 개선, 혼합시멘트 사용량 확대와 같은 다양한 노력을 하고 있지만 감축 할당량을 채우기에는 매우 부족한 상황이다.4)
2030 시멘트 산업 이산화탄소 감축 로드맵을 보면 연료전 환, 공정효율개선, 혼합시멘트 확대와 CCS(Carbon Capture and Storage) 기술 적용과 같은 다양한 대책을 강구하고 있지
만, 시멘트 산업특성상 시멘트의 주원료인 석회석 분해과정에 서 발생하는 이산화탄소 배출량이 전체 배출량의 약 60 %를 차지하고 있어 타 산업대비 감축여력이 적을 수밖에 없다.5) 또한 이산화탄소 감축로드맵 감축량 전체의 약 53 %에 해당 하는 CCS 기술에 대한 혁신적인 상용화 기술이 확보되지 않 고 있는 상황이다.
2.2 폐합성수지 현황 및 전망
폐합성수지 수출입은 각국 정부 정책에 민감하게 반응한 다. 2017년 중국의 폐합성수지 수입금지로 인한 국내에서 폐 합성수지 재활용 및 처리 필요성 증가로 시멘트산업 연료적용 공감대가 형성되고 있다. 2019년 국내 폐합성수지 발생량은 10,501천 톤으로 에너지 잠재량은 폐합성수지 저위발열량 6,000 ㎉/㎏으로 검토할 경우, 6,301천 TOE로 시멘트업계 사 용 연료 에너지의 1.7배 수준이다. 따라서 국내발생 폐합성수 지를 시멘트 열원으로 사용할 경우, 화석연료를 대체할 수 있 는 환경 친화적 연료로 활용이 가능하다. 유럽의 경우에 2000 년대 초반에 이미 20 % 이상 연료 대체하여 사용하고 있다.
그림 1. 2030 국내 산업별 온실가스 감축량
감축수단 이행목표 감축량
원료대체 시멘트 혼합재 비율 증대 6 %에서 9 %
86만 톤 CO2
슬래그시멘트 생산비중 확대 18.96 %에서 19 %
연료대체 연료대체(폐합성수지확대) 19 %에서 21 % 23만 톤 CO2
신기술 도입 사업장 배출원단위 관리 고효율설비, FEMS 20 % 보급 2만 톤 CO2
CCS(Carbon Capture and Storage) - 128만 톤 CO2
합 계 239만 톤 CO2
[표 1] 시멘트업종의 온실가스 감축수단6)
구분 ’14 ’15 ’16 ’17 ’18 ’19
생활폐기물 6,038 6,393 7,272 8,184 8,848 11,014
사업장 폐기물
배출계 10,526 11,674 11,993 13,038 13,616 16,094
지정 45 49 56 54 58 55
건설폐기물 1,586 1,654 1,420 1,803 1,826 1,607
합계 18,195 19,770 20,741 23,079 24,348 28,770
(출처 : 환경부, 전국폐기물 발생 및 처리현황, 2019)
주) 폐합성수지류 : 폐합성수지, 폐타이어 포함 폐고무류, 폐섬유류 포함 [표 2] 폐합성수지류주) 발생원/연도별 발생량 변화 (톤/일)2)
특히 독일은 세계적으로 대체연료 재활용이 가장 활발한 국가 이며, 시멘트소성로에 사용되는 전체연료의 68 %를 순환자원 으로 재활용하고 있다. 국내 시멘트산업은 앞에서 언급하였듯 이 2019년 현재 가연성폐기물의 시멘트산업 사용량은 23 % 로 해외시멘트 업계보다 낮은 실정이다. 따라서 폐합성수지와 같은 가연성물질을 시멘트산업에서 연료로 활용하기 위해서 는 대체연료 적용에 대한 공감대 형성과 아울러 염소성분 제 어 및 균일열원공급 기술과 같이 폐합성수지 확대적용기술 개 발이 필요하다.
3. 폐합성수지 적용기술
2,000 ℃ 이상 고온과 다량의 열원이 요구되는 시멘트공정 특 성을 고려할 때, 폐합성수지를 열원으로 사용하고, 연소 후 발생 가스를 안정적으로 처리하는데 매우 효율적인 설비라 할 수 있 다. 하지만 시멘트산업 탄소중립 달성을 위해서는 폐합성수지 사 용량을 지금보다 획기적으로 확대하여야 한다. 이를 위해서는 사 이클론 적분 및 환원분위기 제어와 같은 시멘트 소성로 공정제어 및 품질 최적화 기술 뿐 아니라, 연소가 어려운 물질을 사전 연소 하여 시멘트 소성로에 열량을 일정하게 공급함으로써, 소성로 공 정변동 없이 폐합성수지를 대량으로 투입하는 기술이 필요하다.
아울러 폐합성수지의 안정적 활용을 위해서 투입 및 연소과정에 서 발생하는 염소성분제어 및 분진활용기술 확보가 필수적이다.
3.1 투입위치 및 투입설비
폐합성수지와 같은 가연성 폐자원을 시멘트 공정에 적용 할 때는 가연성 물질을 연소하는데 필요한 연소조건 확보, 연소 후에 발생하는 연소가스의 분해 뿐 아니라 클링커 광물 형성을 위해서 소성로 내부의 적정온도 확보는 매우 중요하 다. 일반적으로 폐합성수지를 시멘트 공정에 적용할 때는 상 기와 같은 이유로 calcining zone(하소구간)에 투입하는 것 이 일반적이며, 폐기물 특성 및 유해물 분해와 같은 적용목 적에 따라서 투입위치를 변경할 수 있다. [표 3]에 폐합성수 지와 같은 가연성 폐기물의 일반적인 투입위치에 대해서 나 타내었다.8~9)
유럽 시멘트 협회의 시멘트 산업 탄소중립 로드맵을 보면 2050년 대체연료 및 바이오매스 사용량이 71 %로 계획되어 있다. 국내 시멘트 산업 탄소중립 로드맵도 유럽과 유사하게 계획되어 있으며, 국내 시멘트업계 2050 탄소중립 달성을 위 해 폐합성수지 사용량 증대가 매우 중요하다. 이를 위해서 폐 합성수지 균일투입 및 일부 연소가 어려운 물질의 사전연소 가 필요하다. 유럽의 경우에 2000년대 초반부터 관련기술을 개발하였으며, KHD Humboldt Wedag사(독)는 시멘트 소성 로 3차 duct에 PYROROTOR를 설치하여 폐합성수지 사전연 소 및 균일투입을 유도하여 폐합성수지와 같은 가연성 물질 을 확대적용하고 있다. FLSmidth사(덴)는 폐합성수지 사용 량 증대를 위해, 시멘트 소성로 3차 duct에 HOTDISC 설치를
투입위치 기준 폐기물 종류별 투입위치
•일반적으로 calcining zone에 투입함.
⇒ 폐 연료의 연소 및 분해 위한 온도, 체류시간 제공 ⇒ 킬른 소성대 온도저하 방지 및 클링커 품질, 킬른공정 영향 최소화
•Main burner 투입 폐기물 ⇒ 액상 및 연소성 양호한 분말
상태의 고상 폐기물
⇒ 분자량이 크고 연소특성이 불 량한 폐합성수지, 프레온가스, PCB 등 난분해성 폐기물
• Preheater & precalciner 투입 폐기물
⇒ 크기가 큰 고상 폐기물 및 액상 폐기물
⇒ Calciner, 킬른 inlet 또는 킬른 동체에 투입구를 만들어 calcining zone에 투입 [표 3] 가연성 폐기물의 일반적인 투입위치
그림 2. 세계 주요국의 시멘트산업 대체연료 활용율7)
통한 폐합성수지 사전연소 및 균일투입 유도장치를 개발하여 유럽을 중심으로 확대적용 중에 있다. 국내에서도 쌍용C&E 에서 FLSmidth사 HOTDISC 및 KHD Humboldt Wedag사 PYROROTOR를 도입하여 폐합성수지 사용량을 확대하고 있다.
3.2 염소성분제어 및 분진활용
폐합성수지와 같은 가연성 폐기물에는 일반적으로 염소성 분이 다량 함유되어 있다. 시멘트 소성로 특성상 염소성분과 같이 휘발특성이 높은 물질이 투입되면 소성로 내부 코팅 형성 그림 3. FLSmidth사 사전연소설비(hot-disc) 및 하소로 설치형상10)
그림 4. 폐합성수지 main burner 투입설비
등 많은 문제점이 발생한다. 따라서 합성수지류에 함유된 염소 영향을 최소화하기 위해 일본 태평양시멘트에서 염소 바이패 스설비를 개발하였으며, 국내 시멘트회사에서도 기술도입 및 국산화하여 적용 중에 있다.
2050 시멘트 업계 탄소중립을 위해서 폐합성수지의 시멘 트 연료화 적용은 급격히 증가할 수밖에 없으며, 시멘트 소성 로 공정 안정화를 위하여 염소성분 제어 및 분진활용기술은 지속적으로 요구되고 있다. 일본 태평양시멘트 회사는 염소
바이패스 분진으로부터 수세, 중금속 회수, KCl 성분을 회수 하고 있으며 나머지 칼슘성분은 시멘트 원료로 재활용하고 있다. 2000년대 초반 쌍용C&E에서 일본 태평양시멘트사의 염소 바이패스 설비를 기반으로 독자적인 염소 바이패스 설 비를 개발하여 시멘트 업계에 적용 중에 있으며, 바이패스 설 비 운전 과정에서 발생한 분진을 재활용하기 위해 염소성분 이 다량 함유된 분진의 재활용 기술개발 및 기술도입을 추진 중에 있다.
그림 5. 태평양시멘트(일) 바이패스 설비 구성도
그림 6. 일본 태평양시멘트의 염소 바이패스 분진 처리 시스템
4. 맺음말
2050 탄소중립을 통한 기후변화 대응 및 저탄소 사회로의 전환은 선택의 문제가 아니라 거스를 수 없는 대세가 되었다.
이에 시멘트 업계는 “시멘트그린뉴딜위원회” 출범식을 개최하 고 이산화탄소 감축을 위한 중장기로드맵을 발표하였다. 2050 탄소중립 달성을 위해 폐합성수지의 시멘트 연료화 적용은 자 원의 효율적 활용과 경제성 확보 측면에서 매우 중요한 수단이 될 수밖에 없는 상황이다. 시멘트 업계 연료대체율은 2019년 현재 23 %로 지속적으로 증가하고 있지만, 독일의 시멘트업계
연료대체율 68 %와 비교하면 매우 미흡한 상황이다.
지금까지 시멘트업계는 업계 경쟁력 확보를 위하여 시멘트 원료와 연료를 폐자원으로 대체하여 사용하는 원가절감에 주 력하였다. 하지만 2050 탄소중립 달성 및 미래경쟁력 확보를 위해서는 단순한 원료, 연료대체 사용이 아니라, 독자적인 설 비&공정개발과 아울러 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술개발 및 현장적용과 같은 혁신적인 기술개 발이 요구되고 있다. 아울러 시멘트업계에서 연료대체 사용에 대한 사회적인 인식변화와 아울러 정부의 정책적인 지원이 필 요한 시점이다.
참고문헌
1. 2020 신재생에너지백서, 2021.
2. 환경부, 전국 폐기물 발생 및 처리현황, 2019.
3. 한국시멘트협회자료, 2021.
4. 국무총리실, 2017.
5. 최지나 (2019). 시멘트지(여름호), 시멘트산업과 온실가스 감축 Vol.22, pp.2–3.
6. 한국시멘트협회 2030 로드맵, 2020.
7. 한국세라믹기술원 (2021). 2050 탄소중립을 위한 시멘트 그린뉴딜 기획보고서.
8. 권우택, 김영희, 김수룡 (2011). 시멘트산업에서의 녹색기술, 세라미스트, Vol.14, No.2, pp.41–57.
9. 권우택 외 (2010). 지식경제부, 가연성 폐차잔재물의 시멘트 열원 활용기술개발 보고서.
10. FLSmidth (2014). HOTDISCTM-a perfect combustion device for coarser alternative fuels, ZKG CEMENT.
11. Rokuro TOMITA (2006). Contribution of Japanese Cement Industry towards Addressing Environmental Issues, KCI Symposium
담당 편집위원 :이선목((주)정우소재)
