이종규 요업(세라믹)기술원 시멘트·콘크리트 팀장

1. 시멘트산업 현황
현재적 의미의 포틀랜드시멘트는 1824년 영국에서 탄생하였다. 우리나라에서는 해방 전 북한의 승호리에서 처음으로 시멘트가 생산되기 시작하였다.
당시 우리나라의 주요산업시설은 북한에 편재되어 있었고, 광복과 6.25동란을 거쳐 거의 모든 생산시절이 파괴된 상태에서 1952년에야 서서히 장상궤도를 찾기 시작하였다. 1957년 후반 문경공장이 새로 가동되면서 비로소 시멘트산업의 새로운 면모를 갖추어 나가기 시작하였다. 1962년 쌍용양회 동해공장의 준공을 시작으로 우리나라 시멘트산업의 도약이 시작되었다. 그동안 시멘트산업은 우리나라의 기간산업으로 국민경제 발전과 함께 성장해오면서 국가발전의 기틀을 마련하고 국민생활의 편리와 풍요를 안겨준 중요한 산업 중의 하나였다.
2004년도 한국의 시멘트 생산과 소비는 각각 55,750천톤과, 54,942천톤으로 전 세계 생산 소비의 약 2.6%를 차지하고 있으며, 중국, 인도, 미국, 일본에 이어 세계 제 5위의 생산국으로 발전 하였다.
포틀랜드 시멘트가 개발된 이후 새로운 대체 재료의 출현 없이 21세기인 지금에도 발전을 거듭하고 있다. 이것은 임의적으로 형상을 만들 수 있고 내구성이 있으며 돌과 같이 단단하다는 것을 들 수 있으며 또한 무엇보다도 가격이 싸다는 장점이 있어 시멘트를 대체할 수 있는 신재료의 출현은 앞으로도 어려울 것이다.
그럼에도 불구하고 현재의 시멘트 생산 환경은 그렇게 낙관적인 상황은 아니다. 고유가에 따른 원가절감 압박, 환경문제의 대두, CO2대책 등 산적해 있는 현안들을 해결해 나가면서 시멘트 산업이 지속 발전 가능한 산업으로 전환을 하여야 할 것이다.
 
2. 순환형 사회시스템을 위한 시멘트산업의 역할
20세기 인류는 풍요로운 삶을 위한 욕망으로 산업혁명 및 끊임없는 기술개발을 통하여 경제발전을 이룩해왔다. 그러나 대량생산 대량소비 사회에서 공해문제, 산업 및 생활폐기물의 문제는 필연적이고 나아가 자원의 고갈이나 지구환경을 위협하는 지경에 까지 이르게 되었다.
시멘트산업은 제조공정에 있어서 다음과 같은 특징이 있어서 다른 어느 산업보다도 폐기물의 재자원화가 용이한 산업이다.
1)시멘트 원료의 주성분이 CaO(CaCO3), SiO2, Al2O3, Fe2O3 이기 때문에 성분적으로는 대부분의 산업폐기물·부산물 원료를 시멘트의 원료로서 재사용이 가능하다.
2)1450℃ 이상의 고온에서 소성을 하기 때문에 유기물은 열분해하여 다이옥신등의 유해물질은 무해화 처리되며, 시멘트 구성성분의 일부로 되기 때문에 2차적으로 처리해야 할 폐기물을 발생하지 않는다.
3)시멘트 중에 혼입되는 중금속은 수화과정에서 각종수화물에 고정되기 때문에 몰탈이나 콘크리트 경화체에서는 중금속이 용출되지 않는다.
4)폐타이어, 폐플라스틱, 폐유 등도 원료로서 사용이 가능하며, 연소 후 남는 재는 원료로서 이용되어지고 연소에 의해 발생되는 SOx는 시멘트 원료에 다량으로 포함되어 있는 석회석에 흡수되어지게 된다. 이와 같은 시멘트산업의 특징을 잘 살려 가면서 각종 환경문제를 해결하고 시멘트 제조 공정의 효율화를 통하여 순환형 사회 시스템 구축하는 것이 앞으로의 시멘트산업 큰 역할 중 하나가 될 것이다.

3. 시멘트산업과 환경
앞서 언급한 바와 같이 산업의 발전과 함께 자원고갈, 지구온난화, 대기환경 오염, 페기물 처리 등의 환경문제가 전 세계적인 관심사가 되어 가고 있다.
시멘트산업은 전통적인 에너지 다소비 업종으로 그동안의 공해산업이라는 부정적인 이미지에서 탈피하여 폐자원의 유효이용을 통한  자원순환형사회 구축에 앞장서기 위하여 지속적인 시설투자 및 기술개발 노력이 필요할 것이다.

3-1 지구 온난화 방지
2012년 이후 온실가스 감축의무 논의가 본격화 될 전망이며, 이에 따라 우리나라도 2차 의무공약기간(2013~2017)에 온실가스 감축의무 동참 압력이 가중될 것으로 생각되어진다.   
시멘트산업에서의 CO2 배출량이 40,000천톤/년 수준이며, 이는 소성공정의 연료 연소뿐만 아니라 시멘트 주원료인 석회석의 탈탄산으로 부터 기인되기 때문이다. 따라서 시멘트산업에서의 CO2 저감 노력은 정책적/경제적 측면 모두에서 매우 중요한 시기라고 판단되어진다. 현재까지 시멘트산업에서의 대응방안으로는 주로 원료, 연료, 클링커 광물함량, 공정 제어 및 혼합시멘트 사용량 증대 등에 의해 이루어질 수 있으며 또한 시멘트 원료 및 연료는 산업폐기물/부산물의 사용량 증대에 따라 CO2 발생량 감소에 일조할 수 있다. (유연탄 6% 대체 시, CO2 저감량은 약 80만톤 수준으로 추정) 그리고 시멘트 클링커 광물 함량 조정은 석회석 투입비를 감소시킬 수 있으며, 이소성에 의한 연료 투입비도 저감시킬 수 있다. 또한 혼합시멘트의 혼합재 함량을 기존 대비 10% 증대시킬 수 있다면 CO2 저감량은 약 70만톤 수준이다. 그러나 상기에서와 같이 혼합재 함량 증대에 따라 시멘트 물성발현이 불량하여, 시멘트 물성해결을 위한 연구가 선행되어야 할 것이다.
즉 시멘트산업에서 CO2를 저감하기 위해서는 1개 factor가 아닌, 시멘트 제조공정에서 도입될 수 있는 모든 factor들을 종합적으로 검토하여, CO2 저감량을 극대화하여야 한다. 또한 시멘트 생산공정 트러블 및 물성 저하 등에 영향을 주지 않는 조건 개발이 필히 선행되어야 할 것이다.

3-2  6가 크롬 저감 공정개발
시멘트는 석회석(CaO원), 규석(SiO2원), 혈암 또는 점토(Al2O3원) 및 철질원료(Fe2O3원)를 분쇄·소성한 후, 석고 및 혼합재(수쇄슬래그 및 석회석 등)를 혼합하여 최종 시멘트 제품으로 제조된다. 이때 각각의 천연원료를 일부 대체하여 산업폐기물(폐주물사, 슬래그, 슬러지류 등)을 사용하고 있다. 
물론 천연원료에도 극미량의 크롬이 존재하나, 산업폐기물에는 천연원료보다 많은 크롬이 존재하기도 한다. 또한 천연원료를 대체하는 산업폐기물뿐만 아니라 클링커 제조시 사용되는 소성연료인 유연탄, 폐플라스틱 및 폐타이어 등에서도 일부 크롬이 검출된다. 
이들 원·연료에 존재하는 크롬은 킬른(소성과정)을 거치면서 6가 크롬으로 전환되는 특징이 있으며(6가 크롬으로의 전환율, 국내 시멘트는 전 크롬 대비 약 25% 수준임), 이에 따라 소성 클링커를 사용한 최종 시멘트에도 6가 크롬이 존재하게 된다. 이에 따라 환경부에서는 국민의 건강과 정서 안정을 위해 시멘트 중의 6가 크롬 함량을 2008년 부터는 30mg/kg 이하로, 2009년부터는 20mg/kg 이하로 유지하도록 하였다.
이를 위해서 현재 국내 업계에서는 총크롬 함량이 많은 부산물의 반입을 제한하는 등, 원료의 출입고 관리를 하기 시작하였으며 이를 통하여 대부분 20mg/kg 안쪽의 수준으로 유지하고 있다. 그러나 폐자원을 활용하면서도 6가 크롬 함량을 줄일 수 있는 체계적인 연구가 아직 국내에서는 이루어지지 않고 있다.
그러므로 국내에서도 시멘트 중의 6가 크롬을 저감시키기 위해서 6가 크롬 최소화를 위한 원료 및 배합설계비에 따른 클링커 제조조건(Raw material의 종류/함량, 클링커 modulus, 소성온도/분위기에 따른 크롬 고용특성 및 안정성) 개발과 전 크롬의 6가 크롬 전환율을 낮추기 위한 킬른 분위기 제어기술(조립형 폐연료 투입시스템 구축기술)의 개발이 반드시 필요하다.

4. 지속가능한 산업으로의 확대발전
시멘트재료의 여러 가지 장점(형상의 자유, 고강도, 고내구성, 최고의 경제성)으로 시멘트를 대체할 수 있는 건축 재료는 당분간 출현하기 어렵다고 생각된다.
하지만 시멘트 제조 환경은 점점 더 어려워지고 있으며 또한 시멘트에 요구되는 성능도 다양화 되었다. 이 모든 것들을 해결하기 위해서는 다양한 연구개발과 끊임없는 노력이 필요할 것이다. 환경문제에 대해서도 지역주민들의 민원을 처리하는 수동적인 방법보다 능동적으로 대처하여 적극적인 투자와 연구개발로 시멘트 산업이 친환경적인 산업이라는 인식을 심어주어야 할 것이며, 온실가스 절감을 위한 노력도 본격적으로 시동하여야 할 것이다. 
또한 시멘트의 주원료인 석회석은 무한한자원이 아니기 때문에 폐자원의 재활용 및 재처리를 통한 순환형 사회 구축을 위한 노력을 하여야 할 것이다.
시멘트 제조분야에서도 에너지 절감을 위한 노력을 하여야 할 것이며, 고유동성 시멘트 및 고내구성 시멘트의 개발 등의 기능성 소재의 개발  및 융합기술을 통한 신 산업창출을 통하여 시멘트산업의 지속가능 발전을 위한 끊임없는 노력이 필요할 것이다.

 시멘트 제조 공정 중 크롬 발생

이종규
한양대학교 무기재료공학과 학사
한양대학교 무기재료공학과 석사
한국과학기술연구원 연구원
동경공업대학 박사
동경공업대학 조수
니이가타대학 조수
현재 요업(세라믹)기술원 시멘트·콘크리트 팀장