가연성 순환자원의
시멘트산업 적용기술과 해결과제

권우택 한국세라믹기술원 그린세라믹본부 책임연구원
김수룡 한국세라믹기술원 그린세라믹본부 수석연구원

1. 서론
시멘트 산업은 제조특성상 1450℃ 이상의 고온을 필요로 하는 대표적인 에너지 다소비 업종으로서, 에너지절약을 통한 원가절감뿐만 아니라 최근 2020년까지 온실가스 배출량을 2005년 대비 4% 감축하겠다는 정부의 발표(2009년 11월)에 부응하기 위해서는 이에 상응하는 효율적인 대책이 필요한 실정이다. 또한 시멘트 주원료로서 석회석을 사용하므로 현재 온난화의 주요인으로 대두된 이산화탄소를 대량으로 배출하고 있다.
시멘트 업계는 에너지 문제와 이산화탄소 등 환경문제를 해결하는 주요방안으로서 NSP 시스템, 예비분쇄시스템 등의 공정효율화와 더불어 순환자원을 리싸이클링하는 노력을 기울여 왔다. 이러한 노력은 1999년 8월 폐기물 관리법에서 시멘트 소성로를 폐기물 처리시설의 중간처리시설 중 소각시설로 분류하여 재활용 신고로 폐기물을 시멘트 부원료 및 보조연료로 사용이 가능하도록 하면서 본격화되기 시작하였다. 시멘트 킬른 제조공정 특성상, 순환자원을 안정적으로 재활용 하는데 유리하지만, 시멘트산업에서 순환자원을 안정적으로 리싸이클링 하기 위해서는 시멘트 품질 및 제조공정에 악영향을 주어서는 안되며 환경적으로 안정하여야 한다. 그러나 대부분의 순환자원은 그 종류에 따라 여러가지 중금속과 시멘트 품질 및 공정에 악영향을 주는 유해성분을 다량 함유하고 있다. 따라서 순환자원을 리싸이클링 하기 위해서는 환경 안정성에 대한 사회적인 인식공유와 더불어 순환자원에 함유된 미량성분들이 시멘트 제조공정 및 품질에 미치는 영향평가 및 시멘트 자원화 적용기술개발이 필요하다. 본고에서는 시멘트산업에서의 순환자원 리싸이클링 현황과 가연성 순환자원 적용을 위한 대책기술을 위주로 살펴보고자한다.  

2. 순환자원의 시멘트자원화 history
우리나라는 1980년대부터 발전소 석탄회나 탈황석고 및 제철소 슬래그와 같은 첨가재 중심으로 시멘트 산업에서의 리싸이클링 연구를 시작하였다. 특히 1999년 8월 폐기물 관리법에서 시멘트 소성로를 폐기물 처리시설의 중간처리시설 중 소각시설로 분류하여 재활용 신고로 폐기물을 시멘트 부원료 및 보조연료로 사용이 가능하도록 하면서 폐타이어 및 폐플라스틱과 같은 시설 중 소각시설로 분류 산업 리싸이클링이 본격화되기 시작하였다. 하지만중 소각시설로 분류 자원화 과정에서 지역사회 및 관련단체와의 공감대 형성부족으로 2000년대 중반부터 순환자원의 시멘트 자원화에 따른 유해성 논란이 제기되었으며, 환경안정성에 대한 명확한 근거자료를 제시하지 못하여 이러한 논란은 더욱 가중되어져 왔다.
폐플라스틱 분석결과에 따르면 유연탄 및 B.C유보다도 발열량이 높으며, 단위 열량당 배출 가스 량이 적고, 온실가스 배출에 따른 CO2 발생량 규제에도 적용을 받지 않는 환경친화적 연료로서의 활용이 가능하다. 따라서 에너지 저감 및 이산화탄소 배출문제를 해결해야하는 시멘트 업계 입장에서는 가연성 순환자원을 안정적으로 활용할 수 있는 기술개발과 더불어 환경유해성에 대한 공감대 형성을 통하여 순환자원을 안정적으로 활용할 수 있는 기반을 조성하는 것이 현안과제라 할 수 있다.
표 1의 2009년 3월에 발표된 “시멘트 소성로 폐기물 사용·관리기준”에 따르면 기본적으로 시멘트산업에서 폐기물을 사용할 경우, 사용기준에 충족하는 폐기물만 사용하도록 되어있으며, 시멘트 자원화 설정과정이 근거있는 연구결과 및 일정한 기준에 의해서 정해진 것이 아니어서 향후에 환경안정성 측면에서 다소의 논란의 소지가 남아있는 상황이다.

3. 가연성 순환자원의 시멘트자원화 기술
3.1 시멘트 자원화에 따른 고려사항
시멘트 제조공정은 폐 플라스틱등 가연성 순환자원을 열원으로 재활용할 수 있는 유용한 설비이다. 그러나 폐 플라스틱의 종류와 성상의 다양성 때문에 시멘트 제조공정에서 요구하는 품질관리와 소성공정의 관리조건 및 환경안정성을 만족하기 위해서는 이에 준하는 적정 투입기술의 개발과 아울러 시멘트 제조공정 최적화 및 생산 클링커의 품질에 미치는 영향평가가 선행되어야 한다. 순환자원을 시멘트 킬른에 적용할 경우, 순환자원중의 Cl, 알카리, 중금속등의 유해물 성분에 의한 공정 불안정/품질저하 문제뿐만 아니라 환경유해성 문제가 야기될 수 있다. 표2에 폐 플라스틱과 같은 순환자원을 시멘트 공정에 적용할 경우, 시멘트 킬른의 운전과 관련된 검토항목과 예상문제점에 대해서 나타내었다.
폐플라스틱과 같은 가연성 순환자원을 시멘트 킬른에 적용할 경우, 투입위치의 선정이 매우 중요하다. 순환자원의 분해 및 킬른 소성대의 일정조건 유지를 위해 calcining zone에 가연성 순환자원을 투입하는 것이 일반적이며, 적용목적 및 순환자원 특성에 따라 main burner나 calciner에 투입한다. 표3에 가연성 순환자원을 시멘트 킬른내에 적용할 경우, 일반적인 투입위치를 나타내었다.
3.2 가연성 순환자원 투입기술
아래 그림에 시멘트 킬른 및 하소로 내부의 온도분포 및 체류시간을 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 시멘트 킬른 내부의 최고 화염온도는 최고 2000℃ 정도이며, 1200℃ 이상에서의 가스 체류시간은 약 3초 이상 체류하며, 하소로 내부온도 및 체류시간도 각각 850℃ 및 6초 이상 됨으로써 순환자원을 환경적으로 안전하게 리싸이클링 하는데 적합한 설비이다. 따라서 가연성 폐기물을 시멘트 자원화를 하기 위해서는 시멘트 자원화에 따른 환경안정성 검증과 아울러 시멘트 킬른의 특성과 자원화 효율을 고려한 최적의 순환자원 투입기술 개발이 필요하다.
폐플라스틱과 같은 가연성 폐자원의 일반적인 투입위치는 시멘트 제조과정에서 열을 가장 많이 소모하는 calcining zone에 투입하는 것이 가장 효과적이며, 품질과 기존공정에 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 알려져 있다. 폐플라스틱과 같은 가연성 순환자원을 시멘트 킬른에 적용할 경우, 에너지 및 환경안정성에 민감한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 가연성 폐자원을 시멘트 킬른에 적용할 경우, 기존 유연탄 투입위치 및 2차, 3차공기와 투입되는 폐플라스틱의 조건을 고려하여 최적의 열효율과 환경안정성을 최적화할 수 있는 적정한 투입위치와 투입방법을 선정하는 과정이 필요하다. 아래 표4는 시멘트 공장에서 일반적으로 사용하고 있는 폐플라스틱 종류별 특성분석 결과를 나타냈으며, 그림1은 이러한 폐플라스틱을 기존 시멘트 공정에 투입할 경우, 최적의 투입조건 및 투입방법을 선정하한 과정으로 수행한 컴퓨터 전산모사기술을 적용한 사례를 보여주고 있다.
그림5에 폐플라스틱과 같은 가연성 순환자원을 시멘트 킬른에 직접투입하기 위한 투입설비 flow를 나타내었다. 가연성 폐자원을 킬른에 직접 투입하기 위해서는 가연성 순환자원을 킬른 소성대(sintering zone)이후의 전이대(transition zone)에 투입하는 것이 일반적이며, 이를 위한 투입설비는 크게 저장 hopper와 bin activator, air nozzle 및 agitator로 구성된 hopper내의 bridge 방지설비, 순환자원의 계량 및 정량공급을 위한 load cell, rotary valve, vibration feeder 및 킬른 내부로의 공급을 위한 feeding pipe와 root blower로 구성되어 있다. 폐플라스틱과 같은 가연성 순환자원은 저장 hopper에 투입된 후, rotary valve를 통해 load cell이 부착되어있는 weighing bin으로 공급되고, vibration feeder와 cushion hopper를 통해 injector로 정량 공급된다. 이때 송풍기를 통해 공급된 압축공기는 injector에서 고속으로 압축·팽창하고 이때 발생되는 흡인력으로 injector내로 폐플라스틱과 같은 가연성 순환자원이 투입되어 feeding pipe를 통해 킬른의 main burner로 공급되고, 이렇게 공급되어진 가연성 순환자원은 유연탄과 함께 킬른 내로 투입되어 연소된다.

4. 리싸이클링 전망과 해결과제
시멘트 산업에서의 리싸이클링은 시멘트회사와 사회의 필요성으로 매년 증가하여 왔다. 특히 1999년 폐기물 관리법에서 시멘트 소성로를 폐기물 처리시설의 중간처리시설 중 소각시설로 분류하여 재활용 신고로 폐기물을 시멘트 부원료 및 보조연료로 사용이 가능하도록 하면서 폐타이어 및 폐플라스틱과 같은 가연성 순환자원의 리싸이클링이 본격화되기 시작하였다. 하지만 순환자원의 자원화 과정에서 환경안정성에 대한 연구부족 및 자료를 충분히 확보하지 못하면서 지역사회 및 관련단체와의 공감대 형성부족으로 2000년대 중반부터 순환자원의 시멘트 자원화에 따른 유해성 논란이 제기되었으며, 이러한 논란의 결과로써 2009년 3월 “시멘트 소성로 폐기물 사용·관리기준”의 발표에 따라서 2009년 9월부터 시멘트 소성로에 사용되는 원료와 연료의 사용기준이 개별사업장마다 적용되기 시작하였다. 하지만 시멘트 자원화 관리기준 설정과정이 근거 있는 연구결과 및 일정한 기준에 의해서 정해진 것이 아니어서 향후에 환경안정성 측면에서 다소의 논란의 소지가 남아있는 상황이다.
시멘트는 인간 주거생활과 밀접한 관련이 있으며, 상품으로서 충분한 환경안정성 확보를 위하여 리싸이클링자원을 제한 하여야하고 현재의 기술로 자원화 할 수 있는 순환자원 자원의 종류 및 양에는 한계가 있을 수 밖에 없다.
따라서 시멘트 산업에서 순환자원을 안정적으로 활용하기 위해서는 공정 및 품질안정을 위한 자원화 기술개발과 더불어 환경안정성에 대한 객관적인 연구결과의 확보와 아울러 관련단체 및 지역사회에서의 충분한 공감대 형성이 선행되어야 한다.
시멘트산업에서 리싸이클링 자원의 유효이용은 기존 시멘트 산업의 한계성을 극복하고 지속 가능한 사회건설에 대한 사회적 요구에 부응하는 것으로써, 이를 더욱 확대하기 위해서는 기업에게 적정한 이윤을 주고, 사회적 여건을 조성하는 정책수립 등 제반환경의 조성이 필요할 것이다.
 

표 1. 시멘트 산업에서의 순환자원 리사이클링 history
표 2. 순환자원의 시멘트 킬른 적용에 따른 예상문제점
표 3. 가연성 순환자원의 일반적인 투입위치
그림 1. 킬른 내부 온도분포 및 가스체류시간
그림 2. 하소로(N-MFC) 내부 온도 분포 및 가스체류시간
표 4. 폐 플라스틱 종류별 특성분석 결과
표 5. 입자 적용조건
그림 4. Calciner 내 온도구배
그림 5. 투입설비 flow

권우택
아주대학교 화학공학과 학사
한양대학교 화학공학과 석사, 박사
현재 한국세라믹기술원 그린세라믹본부 책임연구원

김수룡
한양대학교 요업공학과 학사
서울대학교 무기재료공학과 석사, 박사
현재 한국세라믹기술원 그린세라믹본부 수석연구원

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