세라믹 재료 연구동향 세라믹 재료 연구동향
시멘트 산업에서의 자원재활용
글 _오재현 연세대학교 명예교수
1. 머리말
“자원순환사회를 선도하는 시멘트 산업”
이 말은 “세상을 지탱하는 힘-시멘트”라는 말과 같이 한국시멘트협회의 홍보물 표지에 실린 선전문구이다.
일반 사람들은 이 선전문구가 어떠한 의미인지, 어떠한 내용의 것인지 쉽게 이해할 수 없을 것이다.
D.H Meadows1) 등이 발표한 미래 예칙의 보고서(Fig.
1 참고)에 의하면, 금세기 안으로 자원이 고갈되고, 환경
오염이 극심하여 식량이 감소하고 인구도 대폭 감소할 것 이라고 예고하고 있다.
한편, 기후의 온난화현상 때문에 세계 곳곳에서 재난이 속출하고 있다.
재난의 피해액이 너무 크기 때문에 성장만을 고집하는 경제학자들도 지속발전이 가능한 사회 구축을 심각하게 고민하게 되었다.
지구의 위기를, 인류의 파국을 막고, 자원의 고갈을 지 연시키기 위해서는 리싸이클링사회, 즉 자원순환형 사회 를 구축해야 한다.
그러기 위해서는 우리생활에서 발생하는 폐기물을, 사 업장에서 발생하는 폐기물을 재활용(recycling) 하는 것 이 첩경이라는 것을 우리는 잘 알고 있다.
현재 우리나라 시멘트 산업에서는 1,800만 톤/년 이상 의 순환자원을 재활용하고 있으며, 이는 일반사업장 폐기 물 배출량의 약 32%에 해당된다. 또 수도권 매립지의 연 간 반입량 보다 훨씬 많은 양이다.
한편, 시멘트 산업에서의 폐기물 처리는 다음과 같은 특색을 갖추고 있다.
① 처리된 모든 폐기물은 클링커가 된다. 즉 2차 폐기 물이 발생하지 않는다.
② 소성온도는 1,450℃ 이상이라는 고온이고, 체류시 간이 길다. 그러므로 유해물질을 모두 분해되고 무
Fig. 1. D.H. Meadows 등이 보고한 세계 미래 예측 모델
해화 된다.
③ 시멘트는 대량 생산이기 때문에 폐기물을 대량 처리 할 수 있다.
일반적으로 2차 폐기물(잔사)을 발생하는 폐기물 재활 용 처리 프로세스와는 판이하다.
2016년 5월 29일 “자원순환기본법”이 공포(2018년 1 월 1일 실시)되어 자원순환을 강조하고 있다. 시멘트 산 업에서는 자원순환 비즈니스가 가중될 것이다. 이러한 시 기에 우리나라 시멘트산업에서의 자원리싸이클링의 확 대·성장을 기대하는 마음이 간절하다.
위와 같은 관점에서 본보에서는 우리나라 순환자원(폐 기물+부산물) 발생량, 시멘트산업에서의 순환자원의 이 용량, 또 이들의 일본과의 비교·고찰 등을 시도하였다.
끝으로, 자동차 슈레더 더스트(ASR)를 시멘트산업에 서의 이용을 바라며, 미쓰비시(三菱) 머티리얼·九州공 장의 경우를 예시하였다.
2. 우리나라 폐기물 발생량과 재활용2)
2.1 생활 및 사업장폐기물 발생과 재활용(Fig. 2, 3, 4 참조)
우리나라 생활폐기물 발생량은 종량제를 시행하기 전 인 1994년에 1.3kg/일·인이었으나, 종량제의 시행으로 거의 1.0kg/일·인으로 감량되어 유지되다가, 2008년도 부터는 더욱 감소되어 2014년에는 0.95kg/일·인으로 감소되었다. 이러한 발생량의 감소는 종량제의 시행, 재
활용품 및 음식물류 폐기물 분리배출 정책에 기인하는 것 으로 보고 있다.
반면, 사업장폐기물은 지속적으로 증가하는 경향을 보 이며, 우리나라의 경제성장 정도를 반영하고 있다. 특히 1990년 말부터 2000년 말까지의 건설경기를 반영하여 건설폐기물의 발생량이 크게 증가하였으며, 경제규모에 대응하여 사업장배출시설계 및 지정폐기물의 발생량도 증가하였다. 2011년부터는 건설경기의 침체로 건설폐기 물의 발생량이 그다지 증가하지 않은 반면, 산업생산의 증가로 인한 사업장배출시설계 폐기물의 발생량이 지속 적으로 증가하는 경향을 보인다. 지정폐기물 또한 관련 산업의 성장에 따라 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
2014년도 전체 폐기물 발생량은 146,607천 톤/년이 며, 건설폐기물이 46.2%(67,644톤/년), 사업장일반폐기 물이 38.1%(55,914천 톤/년), 생활폐기물이 12.4%
(18,219천 톤/년), 지정폐기물이 3.3%(4,810천 톤/년)를 나타내고 있다.
2014년 기준으로 생활 및 사업장을 포함하는 전체 폐 기물의 9.4%가 매립, 6.1%가 소각, 83.9%가 재활용, 0.4%가 해역배출로 처리되었다. 소각과 재활용 비율은 증가하는 추세인 반면 매립과 해역배출 비율은 감소하는 추세이며, 특히 해역배출은 하수슬러지, 음식물류 폐기 물을 재활용 하는 과정에서 발생되는 액상의 물질(이하
‘음폐수’), 축사폐수 등이 2012년 및 2013년에 거쳐서 배 출 금지됨으로 감소되었으며, 대부분은 소각 또는 재활용 처리방식으로 전환되는 추세이다.
생활폐기물 매립처리비율은 지속적으로 낮아지는 반
Fig. 2. 생활 및 사업장폐기물 발생현황 Fig. 3. 생활폐기물 처리현황
면 소각 비율은 꾸준히 증가하는 추세이며, 폐자원 에너 지화 정책에 따라 단순 재활용되던 폐기물이 소각 등 에 너지화 처리로 전환됨에 따라 재활용비율이 2009년 이후 감소되어, 2011년부터는 59.1%를 유지하고 있다. 그 간 쓰레기종량제 실시, 재활용정책 및 폐자원 에너지화 등 정책에 힘입어 폐기물처리구조가 단순 매립 위주에서 폐 자원을 선순환 시키는 자원순환형으로 전환되고 있다.
한편, 사업장폐기물의 매립처리는 2008년 이후 감소 추세에 있으며, 재활용은 증가 추세를 보이고 있다. 사업 장폐기물의 종류별로 건설폐기물의 97.9%가 재활용, 0.5%가 소각, 1.6%가 매립되었으며, 배출시설계 폐기물 은 재활용 77.3%, 매립 16.1%, 소각 5.7%, 해역배출 0.9%, 지정폐기물은 재활용 57.3%, 소각 16%, 매립 19.2%, 기타(보관) 7.5%로 처리되었다. 런던협약(‘72)과 런던의정서(‘96)에 따라 2012년 하수슬러지·가축분뇨, 2013년 음폐수·분뇨·분뇨오니가, 2014년 폐수 및 폐 수오니의 해양배출이 금지되었다.
전체 사업장폐기물 발생량 중 건설폐기물의 발생량 비 중이 크고 거의 모두 재활용되면서 사업장폐기물의 재활 용률이 87.4%로 높게 나타나고 있으며, 배출시설계 및 지정폐기물 등도 자원 및 에너지 수요가 증가하면서 재활 용 비율이 증가하고 있다.
2.2 시멘트산업에 있어서 이용되는 순환자원 원료3) 시멘트산업에서 대체원료로써 가장 많이 이용되는 것 이 석탄재(Fly ash) 이다.
석탄 화력발전소에서 발생되는 석탄재는 대부분 매립 시설인 재 처리장에 매립하여 왔으나, 1990년대 초부터 석탄재 재활용률이 꾸준히 증가하고 있다. 특히, 2010년 에 국내 발전 5사에서 발생한 840.6만 톤의 석탄재 중에 서 707.9만 톤인 84.2%를 재활용하여 최대치를 달성하 였으나, 이후 건설경기 침체, 수입석탄재, 철강슬래그 사 용 확대 등 외생적 요인으로 인해 점차 재활용률이 저하 되고 있는 추세이다(Fig. 5 참조).
2015년도 우리나라 시멘트산업에서는 국내산 석탄재 1,283천 톤과 수입한 석탄재 1,354천 톤 합계 2,637천 톤 의 석탄재를 Al2O3 대체 점토원료로 사용하였다.
Fig. 4. 사업장폐기물 처리현황
Fig. 5. 국내 석탄재 발생 및 재활용률 현황 (단위 : 천톤)
Table 1. 주물생산량에 의한 고사 발생량 (추정)
(단위 : 톤/년)
연도 주철주물 주강주물 동합금주물 알루미늄합금주물 합계
2007 487,680 75,600 24,856 80,902 669,038
2008 493,950 76,100 25,064 92,454 687,558
2009 500,010 76,750 25,480 110,314 712,554
2010 508,620 78,350 26,104 134,432 748,506
2011 518,580 80,300 26,520 161,690 787,090
2012 524,520 80,450 26,832 190,266 822,068
Table 1에는 주물생산량에 의한 고사(폐주물사) 발생 량을, Table 2에는 고사의 발생량 및 처리현황을 표시하 였다.
Table 1에서 보는 것처럼 매년 주물생산량이 증가하고 있으므로 이에 따른 고사의 발생량도 증가하는 것으로 예 측되고 있다.
2007년부터 2012년까지 6년간 한국환경공단에서 발 표한 “전국폐기물발생 및 처리현황(2013)”의 자료에 의 하면 고사인 폐주물사/모래의 발생량과 처리현황은 Table 2와 같이 발표하고 있다. 고사의 발생량은 연간 1,400,000톤으로 이중 80% 정도는 재활용하고 나머지 약 20% 정도는 매립하는 것으로 조사 하였다. 재활용에
는 주물사로 재활용과 시멘트원료로 사용하는 것으로 예 측하고 구체적인 내용은 조사되지 않았다.
주물생산량으로 고사발생량을 추정한 양보다 고사발 생량이 많은 것으로 조사되었다. 이는 주물공장에서 사용 하는 고사 이외에 타 용도로 사용한 일반 모래를 포함하 고 있기 때문인 것으로 사료된다.
고사에 함유된 철분을 제거하고, 시멘트 공장의 시멘트 원료로 공급되며 또한 주물사 분진도 시멘트 원료로 공급 한다. 2015년도 우리나라 시멘트업계에서는 560천톤의 고사(폐주물사)를 규산질 대체 원료로 사용하였다.
Fig. 6에 국내 철강슬래그의 발생량 추이를 고로슬래 그와 제강슬래그로 구분하여 나타내었다.3)
Fig. 6. 국내 철강슬래그 발생량 추이 (단위 : 천톤) Table 2. 고사의 발생량 및 처리현황
(단위 : 톤/년)
재질연도 총 발생량 매립 소각 재활용 기타
2007 발생량 1,428,030 292,410 4,890 1,130,520 300
비율 % 100 20.48 0.35 79.17 3
2008 발생량 1,719,810 278,070 750 1,440,990 0
비율 % 100 16.22 0.05 83.79 0
2009 발생량 1,193,070 209,580 900 982,590 0
비율 % 100 17.57 0.08 82.36 0
2010 발생량 1,478,490 254,100 0 1,224,390 0
비율 % 100 17.19 0 82.82 0
2011 발생량 1,420,110 319,320 810 1,098,270 1,710
비율 % 100 22.49 0.06 77.34 0.12
2012 발생량 1,422,570 388,350 960 1,033,260 0
비율 % 100 27.3 0.07 72.64 0
대표적인 철강부산물이라고 할 수 있는 철강슬래그는 고로슬래그와 제강슬래그로 구분된다. 고로슬래그는 고 로에서 원광석으로부터 선철(銑鐵, Iron)을 제조하는 과 정에서 발생되는데 용융슬래그를 고압의 물로 급랭하여 모래형상으로 제조한 수재슬래그와 야드에서 서냉 시킨 괴재슬래그가 있다. 제강슬래그는 전로, 전기로 등에서 쇳물을 정련하여 강(鋼, Steel)을 만들 때 발생된다. 2013 년 국내 철강슬래그의 발생량은 총 24.3백만 톤으로 고 로슬래그가 14.0백만 톤, 제강슬래그가 10.3백만 톤(전 로슬래그 66%, 전기로슬래그 34%)을 차지하고 있다.
철강슬래그는 물리적, 화학적 성질이 우수한 친환경 자 재로 냉각, 파쇄 및 자력선광, 입도분급, 에이징 등의 처 리공정을 거친 후 시멘트원료, 비료, 도로, 토목, 건축용 골재 등 다양한 분야에 활용되어 자원과 환경 보전에 기 여하고 있다. 특히 고로 수재슬래그는 시멘트원료로 활용 할 경우, 슬래그 1톤을 재활용하는 것에 의해 시멘트 원
료인 석회석 사용을 1.2톤 줄이고 CO2 가스 발생량을 840kg 억제하여 지구온난화 방지에 기여할 수 있다. 또 한 제강슬래그를 해조류 바다 숲 조성을 위한 철분 공급 재로 인공어초 등에 활용하는 것은 연안 생태계 복원과 어민 소득증대에도 기여하여 복합적인 효용창출을 실현 하고 있다.
Fig. 7에 2013년 국내 철강슬래그의 주요 용도별 활용 내역을 고로슬래그와 제강슬래그로 구분하여 나타내었 다.3) 1,122만 톤의 고로슬래그가 40만 톤의 제강슬래그 가 시멘트산업에 활용되고 있음을 알 수 있다.
한편, 분진/슬러지는 전처리 또는 가공을 통해 제철공 정 내에서 원료로 재사용하거나 시멘트 제조용 철강원료 등으로 재활용되며 유효성분이 미흡한 일부분만이 미활 용 되고 있다.
Table 3에는 2012년도 오니 종류별 발생량과 비율을 나타냈다. 여기서 가장 발생량이 많은 것은 폐수처리오니
Fig. 7. 국내 철강슬래그 용도별 재활용 실적 (2013년)
Table 3. 오니 종류별 발생현황 (2012년)
(단위 : 톤/일, %)
구분 합계 유기성 무기성
발생량 % 발생량 % 발생량 %
합계 31,379 100.0 15,774 100.0 15,605 100.0
폐수처리오니 18,669 59.5 8,827 55.9 9,842 63.1
공정오니 5,057 16.1 657 4.2 4,400 28.2
정수처리오니 1,232 3.9 204 1.3 1,028 6.6
하수처리오니 6,421 20.5 6,086 38.6 335 2.1
※환경부자료, 2012 폐기물 발생현황 사업장배출시설계폐기물
로 폐수처리오니는 유·무기성이 거의 같은 비율로 발생 되고 있으며, 하수처리오니는 유기성의 비율이 높게 발생 되고 있다. 공정오니는 철강 산업 등의 산 세척폐수에 기 인하여 발생되는 것으로 무기성이, 정수처리오니는 유기 성이 높은 것으로 나타나고 있다. 이들 오니를 처리하여 시멘트산업에서 원료 대체로 이용할 수 있다.
Table 4에 폐타이어 발생량과 함께 재활용 현황을 나
타내었다.
국내에서 재활용에 관심되는 부분은 폐타이어인데 이 는 발생량이 많고 수거가 쉽게 이루어진다는 점에 있다.
매년 10만 톤 이상을 시멘트산업에서 이용하고 있다.
국내에서는 대한타이어협회에서 폐타이어 처리를 담 당하고 있다. Fig. 8에 폐타이어 회수 및 처리 체계도를 나타내었다.
Table 4. 국내 폐타이어 발생·회수 및 재활용 현황
(단위 : 톤, %)
구분/연도 2010 2011 2012
중량 구성비 중량 구성비
협회 재활용
실적
가공이용
고무분말 59,105 18.7 55,439 17.8 51,857 17.0
밧줄 등 5,104 1.6 9,944 3.2 8,200 2.7
소계 64,209 20.3 65,383 21.0 60,057 19.7
열이용
시멘트 101,643 32.1 100,113 32.2 104,105 34.0
TDF 68,946 21.8 66,814 21.5 47,530 15.5
건류소각 2,105 0.7 1,524 0.5 1,923 0.6
소계 172,694 54.5 168,451 51.8 153,558 50.1
원형이용
매립장 0 0.0 0 1.2 0 0.0
수출 0 0.0 1,027 0.0 2,943 1.0
소계 0 0.0 1,027 1.2 2,943 1.0
합계 236,903 74.8 234,861 75.5 216,558 70.8
기타
재생타이어 22,419 7.1 26,930 8.7 30,068 9.8
중고차수출장착 31,602 10.1 38,230 12.3 40,704 13.3
합계 54,021 17.1 66,160 21.0 40,704 13.3
총재활용량 290,924 91.9 300,021 96.5 287,330 93.9
미확인량 25,797 8.1 10,970 3.5 18,547 6.1
발생량 316,721 100.0 310,991 100.0 305,877 100.0
Fig. 8. 폐타이어 회수처리 체계도 (출처 : 대한타이어공업회)
3. 시멘트산업에서의 순환자원(폐기물+부산물)
3.1 시멘트 제조 프로세스와 순환자원 이용
Fig. 9에 시멘트 1톤 제조에 필요한 원료 및 에너지 원 단위를 도시하였다. 시멘트는 주원료인 석회석과 부원료 인 점토와 규석, 철광석 등을 일정하게 혼합하여 섭씨 1,450도 이상의 높은 온도로 구워서 만든 제품이다.
시멘트 제조 프로세스에서 순환자원 이용이라는 것은 부원료(380kg/톤 시멘트)와 열에너지(석탄 110kg/톤 시 멘트)를 폐기물과 부산물로 대체하자는 것이다.
Table 5에 시멘트 제조에 이용되는 주요 폐기물과 발 생 장소를 표시하였고, Fig. 10에 폐기물 자원화 공정을 도시 하였다.
폐기물 이용의 척도로 시멘트 톤당 폐기물이용량 = 폐
Fig. 9. 시멘트 1톤 제조에 필요한 원료 및 에너지 원단위 (참고문헌 9)
Table 5. 시멘트 제조에 이용되는 주요 폐기물과 발생 장소
구분 주요 폐기물 발생장소
점토 대체
석탄재 화력발전소
건설오니·건설잔사 건설공장
레미콘슬러지 레미콘공장
반도체공정오니 반도체공장
하수오니 하수처리공장
규석대체 주물사 주물공장
철원료 동슬래그 동제련소
고로 2차재 제철소
열에너지 대체
폐타이어 자동차
폐플라스틱 자동차, 식품, 인쇄, 화학, 주택, 고무 등 각 산업, 가정플라스틱 쓰레기
폐목재 주택해체 폐재
폐유 선박 기타
RDF 가정쓰레기
기타 폐액 소주·식품공장, 병원(사진)
주 : 1)열에너지는 석탄(25.95MJ/kg) 환산치 2)전력에너지는 사용베이스(비열발전분도 포함) 출전 : 시멘트의 상식(일본시멘트협회)
기물 이용량(kg) / 시멘트제조 톤
원료 대체율 = 원료 대체량 / 1.58 × 시멘트제조 톤 × 0.38 × 100
연료 대체율 = 연료 대체량 / 110kg × 시멘트제조 톤
× 100
으로 계산할 수 있다. 그러나 원료 대체율과 연료 대체 율은 계산방식에 따라 달리 표현할 수 있다.
3.2 우리나라 시멘트산업에 있어서의 순환자원의 이용4)
Table 6은 한국시멘트협회 자원순환센터가 발표한 연 도별 시멘트 생산량, 순환자원 재활용량 및 원단위를 표 시한 것이다.
순환자원은 폐기물과 부산물을 합친 것이고, 부산물은 주가 제철소에서 배출되는 고로슬래그 이다.
Table 7은 2015년도 폐기물 재활용 실적을 표시한 것 이다.
2015년 순환자원 재활용량에서 폐기물 재활용량을 뺀 즉 12,665천 톤이 부산물량이다. 이 부산물량 중에서 11,000천 톤이 철강슬래그이고, 1,600천 톤이 폐석고(탈 황석고·중화석고)량으로 추정된다.
◎ 원료 대체율(2015)
Table 6과 Table 7에서 전술에 의한 원료 대체율 18,801,000-1,031,000=17,770,000톤 (원료 대체량) 41,804,000×1.58=66,050,220톤 (이론적인 종합 원 료량)
Table 6. 시멘트 생산량, 순환자원 재활용량 및 원단위 연도 시멘트생산량
(천 톤)
순환자원 재활용량 (천 톤)
원단위 (kg)
2013 47,290 17,108 362
2014 47,047 16,790 357
2015 41,804 18,801 450
Fig. 10. 폐기물 자원화 공정
Table 7. 폐기물 재활용 실적 (2015년)
(단위 : 천톤)
구분 종류 사용량
원료 재활용
점토질
석탄재 국내 1,283
수입 1,354
슬러지
무기 1,173
유기 510
기타(광미 등) 225
규산질 폐주물사 560
소계 5,104
연료 재활용
폐합성수지 698
폐타이어 244
폐고무류 39
기타 가연성 50
소계 1,031
합계 6,136
* 올바로(환경부 폐기물 통합관리시스템)기준
66,050,220×0.38=25,099,122톤 (이론적인 부원료량)
① 17,770,000/25,099,122×100=71% (이론적인 원 료 상한 대체량에 대한 원료 대체량)
자원순환센터의 원료 대체율 산출법
41,804,000×1.58=66,050,320 (이론적인 원료 조합량)
② 17,770,000/66,050,320×100=27% (이론적인 원료 조합량에 대한 대체량)
아세아 시멘트의 경우 2015년도5) 종합원료생산량 : 5,329,250톤 석회석 제외 : 568,496톤 순환자원 사용량(원료) : 427,104톤
원료 대체율 : 75.1%로 산출하고 있다.
이는 ①식과 흡사한 산출방식이다.
한일시멘트의 경우 2015년도6)
Rawmix 생산량 : 8,527,174톤 순환자원(원료) 사용량 : 2,172,443톤 원료 대체율 : 25.5%**
이는 ②식과 흡사한 산출 방식이다.
따라서 원료 대체율은 이론적인 대체율을 산출하는 방식
①과 원료 전체에 대한 순환원료 사용을 나타내는 방식 ② 가 있으므로 대체율에는 산출방식 설명도 첨부해야 한다.
◎ 연료 대체율
연료 대체율은 원료 대체율 보다 산출방식이 복잡하다.
그래서 개략적인, 추상적인 방법을 설명한다. 시멘트 1톤 을 생산하는데 110kg의 석탄(6,000㎉/kg)이 소요된다.
또 대체연료의 발열량이 석탄과 같다고 가정한다. 이 때 연료 대체율 = 사용한 연료량 / 석탄소요량 × 100
아래 Table은 위식에 따라 산출한 연료 대체율(2015) 이다.
시멘트 생산량(톤) 실제 사용한 대체 연료량(톤) 연료 대체율(%) 우리나라 전체 41,804,056 1,031,000 22.4
한일시멘트 4,971,465 175,087 32.0 동양시멘트 5,717,891 229,000 36.4
아세아시멘트 2,910,078 - 20.7※
※아세아시멘트 경영보고서에서 인용
* 한일시멘트에서는 17.98%로 발표하고 있다. 이 차이를 후일 구명하고자 한다.
Table 8과 Fig. 11은 자원순환센터가 보도한 국가별 순 환자원 재활용량과 순환자원 연료 대체율이다.
3.3 일본의 시멘트산업에서의 순환자원(폐기물) 이용7)
Table 98)는 2003∼2007년도 일본에 있어서 시멘트 제조 시 각종 폐기물 이용을 표시한 것이다. 일본은 10년 전부터 약 3천만 톤/년의 폐기물을 시멘트공장에서 재활 용하였으며, 이는 시멘트 톤당 420kg 이상이 된다.
Fig. 12는 미쓰비시(三菱) 머티리얼·九州공장에 있어 서 폐기물 수입(受入) 수량의 추이(九州지구 합계)를 도 시한 것이다. 1992년에 폐타이어 처리를 개시(No. 4, 5K)하였고, 1998년 10월에 간다쵸(苅田町) 가연쓰레기 RDF 처리개시, 2001년 2월 폐타이어 설비 증강(No.
1∼3K), 2001년 6월 하수오니 처리설비 운전개시, 2002 년 6월 폐플라스틱 처리 설비 운전개시, 2004년 3월 폐 산·폐알카리 처리설비 운전개시. 이렇게 하여 대량의 폐기물처리를 시행하고 있다. 다음 Fig. 13은 자원화 플 랜트 전경이고, Fig. 14는 세정 후의 도시쓰레기 소각재
Table 8. 순환자원 재활용량 및 원단위*
(*원단위 : 시멘트 톤당 순환자원 사용량)
국가
'13년 시멘트 생산량
(천톤)
재활용량 (천톤) 원단위 (kg/톤)
연도별 재활용량 2005년 2007년 2010년 2013년
①독일 31,000 재활용량 8,703 10,846 9,303 10,396 원단위 281 325 311 332
❷한국 47,000 재활용량 11,873 14,315 14,248 17,108 원단위 252 274 300 362
③일본 62,000 재활용량 25,593 30,720 25,995 30,265 원단위 400 436 465 486
Fig. 11. 국가별 순환자원 연료 대체율
Table 9. 일본에 있어서 시멘트 제조시의 각종 폐기물 이용
(단위 : 천톤)
종류 주요용도 2003년도 2004년도 2005년도 2006년도 2007년도
고로슬래그 원료, 혼합재 1,073 9,231 9,214 9,711 9,304
석탄재 원료, 혼합재 6,249 6,937 7,185 6,995 7,256
오니, 슬러지 원료 2,413 2,649 2,526 2,965 3,175
건설발생토 원료 629 1,692 2,097 2,589 2,643
부산 석고 원료(첨가재) 2,530 2,572 2,707 2,787 2,636
타고 남은 재(석탄재 제외) 원료, 열에너지
953 1,110 1,189 982 1,173
매진, 더스트
비철광재 등 원료 1,143 1,305 1,318 1,098 1,028
주물사 원료 565 607 601 650 610
제강슬러그 원료 577 465 467 633 549
폐플라스틱 열에너지 255 283 302 365 408
나무부스러기 원료, 열에너지 271 305 340 372 319
재생유 열에너지 238 236 228 249 279
폐유 열에너지 173 214 219 225 200
폐백토 원료, 열에너지 97 116 173 213 200
석탄에 섞여 나오는 돌 원료, 열에너지 390 297 280 203 155
폐타이어 원료, 열에너지 230 221 194 163 148
육골분 원료, 열에너지 122 90 85 74 71
기타 - 378 452 468 615 565
합계 - 27,564 28,780 29,593 30,890 30,720
시멘트 1t당 사용량(kg/t) 375 401 400 423 436
태평양시멘트(주)
Fig. 12. 미쓰비시 머티리얼 九州공장에 있어서 폐기물 수입수량의 추이 (九州지구 합계)
(세정 후 재)의 사진이다.
Fig. 15는 당 공장의 폐석고보드의 수입(受入) 수량 실 적 및 수입(受入) 계획을 도시한 것이다. 2015년도 22천 톤의 폐석고보드를 처리하였다. 당 공장은 2011년도부터 천연석고 및 부산석고 대신 폐석고보드를 분쇄하여 시멘 트원료화를 하고 있다. 폐석고보드 매립시 발생하는 황화 수소에 대한 염려도 없고, 성자원 및 코스트삭감(폐기물 로써 처리비를 받고 있다) 등 이중적인 효과도 있다.
Fig. 16은 일본 전국의 폐석고보드 발생을 예측한 것이 다. 2015년 현재 약 1,350천 톤/년이 발생하고 있으며, 매년 증가추세이다.
Table 10은 미쓰비시 머티리얼 시멘트부문(九州공장 80%, 橫瀨공장 10%, 岩手공장 6%, 靑森공장 4%)의 폐기 물·부산물 수입(受入) 실적을 표시한 것이다. 약 400만
Fig. 13. 미쓰비시 머티리얼·九州공장 자원화 플랜트 전경 Fig. 14. 세정후의 도시쓰레기 소각재 (이물질 제거후의 세정재)
Fig. 15. 폐석고보드 수입수량 실적 및 수입 계획 Fig. 16. 폐석고보드의 발생 예측(전국)
Table 10. 미쓰비시 머티리얼 시멘트부문의 폐기물·부산물 수입 (受入) 실적
2012년 2013년 2014년
폐유 4 3 4
폐타어어 29 25 22
고로슬래그 등 1,262 1,293 1,215
주물사 등 64 54 55
연각·매진 224 201 127
석탄재 1,127 1,177 1,374
오니, 슬러지 등 347 357 314
부산석고 363 367 378
폐플라스틱 63 63 67
기타 454 519 533
합계(천톤/년) 3,936 4,059 4,088
시멘트 생산량(천 톤/년) 9,380 9,674 9,704
원단위(kg/톤) 420 420 421
일본 시멘트 전사(全社) 계
(천 톤/년) 28,523 30,265 29,212
톤/년의 폐기물·부산물을 재활용 하였으며, 이는 일본 전체 3천만 톤의 13.3%에 해당된다.
4. 시멘트산업에서의 자동차 슈레더 더스트(ASR)의 자원화 이용9)
우리나라 자동차 리싸이클링법(전기·전자제품 및 자 동차의 자원순환에 관한 법률, 2008.1.1. 시행)에서는 2015년부터 자동차 리싸이클링률이 95%가 달성되어야 한다. 그럼에도 불구하고 현재(2016년) 자동차 리싸이클 링률은 85%를 넘지 못하고 있다. 그 원인은 ASR의 리싸 이클링률을 계상할 수 없기 때문이다.
우리나라도 2009년도까지는 ASR을 시멘트공장 소성 로에서 대체연료로 이용하였다. 차춘수씨(당시 쌍용양회 전무)에 의하면, 2009년도 우리나라 ASR 발생량(당시 120,000톤/년)의 50%를 시멘트공장에서 이용하고 있었 고, 2010년도는 75%, 2011년도는 100%의 ASR을 시멘 트공장에서 이용하게 될 것이라는 견해를 가지고 있었다.
그런데 환경부는 갑자기 폐기물관리법 시행규칙을 다음 과 같이 개정하여 현실적으로 시멘트공장에서 ASR 이용 을 불가능하게 하였다.
폐기물관리법 시행규칙(개정일 : 2011. 9. 7.) 31. 법 제31조의2제1항제5호에 따라 가연성 고형폐기물 또는 유
기성폐기물을 법 제2조제7호 나목에 따라 재활용하는 경우 다. 제3조제1항제3호 각목의 폐기물을 시멘트 소성로에서 보조연
료로 재활용하는 경우
1) 지정폐기물을 재활용하여서는 아니되며,
2) 시멘트 소성로에서 보조연료로 재활용하는 폐기물은 「자 원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 시행규칙」 제20조의 5제3항에 따라 환경부장관이 고시한 “고형연료제품의 품 질 시험·분석방법”에 따른 시험결과(저위발열량 외의 항 목은 건조된 상태를 기준으로 한다)가 다음의 기준에 적합 하여야 한다.
가) 납 : 킬로그램 당 200밀리그램 미만 나) 구리 : 킬로그램 당 800밀리그램 미만 다) 카드뮴 : 킬로그램 당 9밀리그램 미만 라) 비소 : 킬로그램 당 13밀리그램 미만 마) 수은 : 킬로그램 당 1.2밀리그램 미만 바) 염소농도 : 무게의 2퍼센트 미만
사) 저위발열량 : 킬로그램 당 4,500킬로칼로리 이상
이 난제를 극복하고, 즉 자동차리싸이클링산업을 튼튼 하게 하고, 자동차리싸이클링률 95%를 달성할 수 있는 합리적인 방법은 시멘트공장에서 ASR을 사용해야 한다 고 하는 필자의 평소 소신에는 변함이 없다. 이 방법을 모 색하기 위해서 일본의 시멘트공장을 벤치마킹하는 것이 제일 먼저 밟아야 할 순서이고 설득력을 가질 수 있다.
일본의 시멘트공장에서 ASR(자동차 슈레더 더스트)를 연료로 이용하고 있는 것은 널리 알려진 사실이다. 그러 나 구체적으로 가령 법적 근거, ASR의 조성, 특히 염소 와 중금속 성분의 함유량 등에 관한 규제, 이용방법에 관 한 내용을 설명한 기술(記述)이 없어 답답하였다.
이러한 시기에 일본에서 규모가 제일 큰 미쓰비시(三 菱) 머티리얼·九州시멘트 공장을 견학(2016.7.21.)할 행운을 가졌다. 다음은 동 공장 답사기에서 ASR의 시멘 트 자원화 부문만 발췌한 것이다.
◎ ASR의 시멘트 원료화
필자의 관심이 집중되어 있는 “ASR의 시멘트 원료화”
를 설명하는 시간이 되었다. 일본 자동차리싸이클법에서 는 자동차파쇄업자는 금속류 등의 소재를 회수·판매하 고 ASR은 자동차메이커에게 인도해야 하며, 자동차 메 이커는 리싸이클 요금과 더불어 이 ASR을「지정재자원화 기관」에 ASR 처리를 위촉해야 한다. 물론, 九州공장은 “ 자동차리싸이클법” 제28조에 의한 주무대신으로부터「지 정재자원화기관」으로서 인가를 받고 있다. 이상이 시멘 트공장에서 ASR을 이용할 수 있는 법적 근거의 전부이 다. 우리나라와 같이 “폐기물관리법 시행규칙 31”과 같은 규제는 없다. 다만 시멘트 제품 품질에의 영향을 평가하 여 자체적으로 사용가부를 판단하고 있다.
필자는 ASR 수입(受入)에 있어서 중금속성분을 제한 한다는 규정 혹은 가이드라인이 있는가 질의하였다. 그러 나 규정 또는 가이드라인은 없고, 염소성분만 가끔 체크 하고 있으며, 다음 수치 이하가 되도록 조절하고 있다는 답변이었다.
ASR 및 플라스틱 중의 염소성분의 수입(受入) 허용량
• ASR 1.5% • SR 1.0%
• 폐플라스틱 0.5∼0.8%
현재 九州공장은 ASR 500톤/월을 처리하고 있으나, 5000톤/월 처리 가능한 시설을 갖추고 있다. 九州메탈산 업(주)과 (주)エコひろなか부터 ASR을 공급받고 있으 며, 양사의 ASR 분별시험 결과 예를 다음과 같이 제시하 였다.
九州메탈산업(주) (주)エコひろなか
우레탄 60% 73%
금속류 5% 3%
고무류 7% 5%
경플라스틱 21% 9%
연플라스틱 8% 11%
필자는 지난 2016년 3월에 방문한 九州메탈산업(주) 權藤正信 사장에게 메일로 시멘트회사에 납품하고 있는 ASR의 화학성분 허용기준치가 있으면 알려달라고 부탁 하였더니 다음과 같은 답장을 받은 바 있다.
吳在賢 先生
선생님의 질문에 관해서 조사했습니다만, 저도 명확하게 파악을 못하고 있습니다. 다만 九州메탈의 선별 후 ASR을 시멘트회사에 서 수입(受入) 가능한지 시멘트회사가 시험한 바 있습니다. 그때 의 결과 일부를 보냅니다.
• Cl 1% / Cr 100 ppm / Pb 150 ppm / Cu 750 ppm / Cd 0 ppm
일반적으로 이런 것인가는 알 수 없습니다만 참고가 되었으면 합니다.
2016. 6. 3. 九州메탈산업(주) 權藤正信
이상을 종합해 볼 때, 시멘트회사는 ASR의 염소성분 이외 즉 중금속성분에 관해서는 특별한 관심이 없고, 따 라서 분석한 시험치도 가지고 있지 않은 것 같다.
다만, 회사는 시멘트(OPC) 제품 중의 중금속 및 미량 성분의 허용치를 시멘트협회가 정한 기준에 준해서 관리 하고 있다.
시멘트협회가 지정한 OPC 중 중금속 및 미량성분의 상한치 기준(mg/kg) 불소(F) 2000 이하 붕소(B) 1500 이하 6가크롬(Cr6+) 20 이하 비소(As) 150 이하 세렌(Se) 10 이하 카드뮴(Cd) 150 이하
납(Pb) 150 이하 수은(Hg) 15 이하
원료보다는 제품에 중금속성분을 규제하는 것이 합리 적이다. 끝으로 다음과 같은 질의로 필자의 ASR에 관한
궁금증이 대충 해소되었다.
Q : 약 30,000엔/톤의 ASR 처리비를 수령하고 있는데, 만일에 이 돈을 못 받아도 ASR을 처리할 것인가?
A : ASR 이외의 폐기물을 처리하게 될 것이다.
30,000엔 × 500톤/월 × 12 = 180,000천 엔/년 이라는 보조금은 결코 적은 돈이 아니다.
◎ ASR의 에너지 이용 소각(일본)
ASR의 시멘트 원료화와는 별도로 참고적으로 시멘트 공장을 포함한 ASR의 에너지 이용 소각에 관해서 소개 하고자 한다.
Table 11과 Table 12는 동북공익대학(東北公益大學) 후루야마 타카시(古山隆) 교수10)의 연구에 의한 것으로
산 밑 넓은 광장에 ASR을 적치하고 있다.
스톡야드에 플라스틱과 혼합 된 ASR이 적치되어 있다. 이 혼합물을 –30mm 이하로 분쇄한 후 풍력(風力)선별과 자력선별을 해서 금속 물을 제거한 다음 소성킬른에 투입한다.
Table 11. ASR 리싸이클링 신기술의 분류
기술분류 리싸이클링 기법 리싸이클링시의 온도(℃) ASR 리싸이클링률의 평균치(%) 시설 수
A 성형 150∼200 74.3 7
B 건류 400∼600 70 2
C 소각 700∼900 90.6 4
D 배소 1000∼1100 97 3
E 소성 1300∼1500 100 1
F1 일체형용융 (비철정련계) 1300이상 100 1
F2 일체형용융 (제철계) 1300이상 95.8 6
F3 분리형용융 1300이상 97 4
F4 가스재질형용융 1300이상 99.5 4
Table 12. 일본의 ASR 리싸이클링 공장에서의 신기술 적용 예와 리싸이클링율
신기술 분류 회사명 ASR의 리싸이클링율(%) 신기술 분류군의 평균치(%)
A
(株)マテック ASR 資源化工場 62
74.3
(株)エコネコル 81
(株)アビヅ 88
豊田メタル(株) 46
東北東京鐵鋼(株) ASR 再資源化施設 62
明海リサイクルセンター(株) 100
拓南商事(株) 81
B 東北東京鐵鋼(株) 廢プラ炭化爐施設 77
廣島ガステクノ(株) 63 70.0
C
エゴシステム小坂(株) 100
日産クリエイテイブサービス(株) 79 90.6
エコシステム岡山(株) 81
財團法人宮崎縣環境整備公社 94
D
三重中央開發(株) 三重事業所 99
(株)GE 100 97.0
大榮環境(株) 三木事業所 92
光和精鑛(株) 97
E 太平洋セメント(株) 上磯工場 100 100.0
F1 小名浜製鍊(株) 小名浜製鍊所 100 100.0
F2
(株)エコバレー歌志內 92
95.8
(株)住金リサイクル 94
シモダ産業(株) 98
新日本製鐵(株) 名古屋製鐵所 99
共英製鋼(株) 山口事業所 98
北九州エコエナジー(株) 90
F3
靑森リニューアブル․エナジー․リサイクリング(株) 92
日鑛三日市リサイクル(株) 100 97.0
三菱マテリアル(株) 直島製鍊所 100
(株)カネムラエコワークス 96
F4
ジヤパン․リサイクル(株) 99
オリックス資源循環(株) 寄居本社工場 99 99.5
(株)クリーンステージ 100
水島エコワークス(株) 100
- 平均 89.7 -
ASR 에너지 이용 소각에 있어서 유익한 자료를 제공하 고 있다. 후루야마 교수는 일본에서 ASR을 처리하고 있 는 30개 사업소(시설 수)의 리싸이클링 기법, 리사이클링 시 온도(℃) 및 ASR 리사이클링률(%)을 조사하여 리싸이 클링시의 온도에 따라 기술분류를 하였다.
그리고 이 기술분류(A, B, C 등) 에 속한 사업소와 ASR 리싸이클링률을 명백히 하였다. 그 결과 모든 사업 소의 ASR 리싸이클링률의 평균치는 70% 이상이며, 처 리온도 700∼900℃ 부터는 ASR 리싸이크링률 평균치가 90% 이상임을 밝히고 있다.
Table 11에서 신기술 분류 E에 속하는 太平洋시멘트 가미이소(上磯) 공장의 경우 ASR의 리싸이클링률이 100%를 보여주고 있다.
참고적으로 太平洋시멘트(주) 산하 ASR 이용 공장을 예시하면 다음과 같다.
•太平洋시멘트의 시멘트 공장 : 6개소
가미이소(上磯)공장 - 홋카이도(北海道) 호쿠토시 (北斗市)
오후나와다리(大船渡)공장 - 이와테현(岩手県) 오후나와다리 (大船渡市) 구마가야(態谷)공장 - 사이타마현(埼玉県)
구마가야시(態谷市) 사이타마(埼玉)공장 - 사이타마현(埼玉県)
히다카시(日高市) 후지와라(藤原)공장 - 미에현(三重県)
이나베시(いなべ市)
•그룹회사의 시멘트 공장 : 3개소
메이세이(明星)시멘트 - 니가카타현(新潟県) 이토이가와시(魚川市) 쓰루카시멘트 - 후쿠이현(福井県) 쓰루카시(敦賀市) 토소 난요사업소(東ソ-南陽事業所) - 야마구치현(山口県)
슈난시(周南市)
5. 요약
1. 2014년도 우리나라 전체 폐기물 발생량은 146,607
천 톤이며, 건설폐기물이 46.2%(67,644천 톤), 사 업장 일반폐기물이 38.1%(55,914천 톤), 생활폐기 물이 12.4%(18,219천 톤), 사업장 지정페기물이 3.3%(48,810천 톤)을 나타내고 있다.
2. 건설폐기물의 97.9%, 배출시설계 폐기물의 77.3%, 생활폐기물의 67.0%, 지정폐기물의 57.3%가 재활 용되고 있다.
3. 2015년도 우리나라 시멘트산업에서 18,801천 톤의 순환자원을 재활용하였다. 폐기물이 6,136천 톤이 고, 부산물이 12,665천 톤이다. 부산물은 11,000천 톤이 제철슬래그이고, 1,600천 톤이 폐석고(탈황석 고·중화석고)로 추정된다.
그리고 폐기물 6,136천 톤은 사업장 일반폐기물의 약 11.0%에 해당된다.
4. 시멘트 톤당 순환자원 사용량(재활용 원단위)은 일 본이 400kg/톤 이상이고 우리나라는 300kg/톤 대 를 나타내고 있다. 일본이 우리나라보다 재활용량/
톤이 많은 이유를 다음에서 찾을 수 있다.
① 고품위 석회석 원료
② 법·제도(지원금 포함)
5. 원료 대체율의 산출은 다음 두 산출방법으로 나타낼 수 있다.
① 이론적인 원료 상한 대체량에 대한 실제 원료 대체량
② 이론적인 원료 조합량에 대한 실제 원료 대체량 2015년도 우리날 전체 원료 대체량(17,770천 톤)은
①에 의한 대체율 : 71%
②에 의한 대체율 : 27%
6. 자동차 슈레더 더스트(ASR)를 시멘트산업에서 자 원화 하게끔 ASR처리의 보완 및 법적지원(지원금 포함)이 요망된다.
7. 부산물 및 폐기물의 자원화는 시멘트산업에서의 이 용이 가장 우수한 장점을 갖추고 있다. 그러므로 시 멘트산업에서 폐기물의 자원화를 적극 추진하게끔 제도의 보완 및 시설지원 등 정부의 대책수립이 간 절하다.
후기
본보를 작성하는데 동양시멘트 이정수 사장, 한일시멘 트 이형우 박사, 아세아시멘트 김원기 박사, 한국시멘트 협회 오대성 차장 및 미쓰비시 머티리얼·九州공장 照沼 裕之 공장장의 많은 도움을 받았다. 여러분에게 고마움을 표한다.
참고문헌
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2014 : 2014 리싸이클링백서, S&D미디어(주), 2014 4. 한국시멘트협회 자원순환센터의 내부자료 2016 5. 아세아시멘트(주)의 내부자료 2016
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10. Takashi Furuyama, 2008 : Comparison of Automobile Recycling System in Asia, Investigated Report of MOE(K1828), pp 115∼118, Japan
오 재 현
와세다대학(早稻田대학)에서 공학사, 공학석사, 공학박사
전) 인하대학교 교수(광산공학과)
전) (재)금속·연료종합연구소 선광연구실장
전) 연세대학교 교수(금속공학과)
현) 연세대학교 명예교수
현) (사)한국자원리싸이클링학회 명예회장
