Eco C-stem

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 시멘트 소성로 투입 폐기물 연료화 개선을 위한 Uniform Waste Maker 개발

영문 : Development of Uniform Waste Maker for Improvement of Waste Fuel for Cement Kiln

과제 팀명

Eco C-stem

지도교수

서명원 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 권**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20**8900** 유**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

탄소배출과 폐기물 처리 문제 등으로 시멘트 업계에서는 순환자원으로 원료 및 연료를 일부 대체하고 있다. 하지만 우리나라의 대체연료 사용량은 2017년 기준 약 1,266톤으로, 2013년 사용량인 1,195 톤과 비교했을 때 크게 증가하지 않았다. 이는 전체 연료 사용량 대비 약 20% 가량의 비율로, 독일(65%) 등의 타 국가에 비하며 낮은 편이다(민태범 외, 2019). 따라서 국내 시멘트 업계의 대체연료 사용량을 늘릴 방안을 모색할 필요성이 있다. 순환자원은 유연탄에 비해 발열량과 염소함량의 편차가 큰 편이며, 이러한 요인들이 시멘트 제조공정의 불안정성을 불러올 수 있기 때문에 대체연료 사용량에 영향을 미치게 된다(최재원 외, 2021). 이에 따라 우리는 소성로에 투입되는 폐기물 연료의 품질수준 및 용량의 일관성을 위해 발열량과 염소함량에 대한 일정한 기준을 세워 이에 따라 폐기물을 분류, 투입하는 프로그램을 설계하고자 한다. 이를 통해 발열량과 염소 함량의 변동성을 일정 수준 이하로 유지함으로써 폐기물 연료의 약점을 보완하게 된다. 이는 결과적으로 시멘트 업계의 순환자원 사용량의 증가로 이어져 온실가스 감축과 폐기물 처리효과를 기대할 수 있다.

개발 과제의 배경

• 1) 시멘트 산업의 탄소배출과 탄소중립
  시멘트 산업은 온실가스 배출량이 높은 업종에 속한다. 우리나라 2050 탄소중립 시나리오에 의하면 국내 산업 부문 중 업종별로 봤을 때, 철강(38.8%), 석유화학 및 정유(24.1%)에 이어 시멘트 산업은 온실가스 배출량 비중이 13.1%에 달하며 국내에서 세 번째로 많은 온실가스를 배출한다. 따라서 온실가스에 의한 지구 기온 상승을 막기 위해서는 시멘트 산업에서의 탄소배출량을 줄여야 할 필요성이 절실한 상황이다. 국내 시멘트 산업에서의 탄소중립은 온실가스의 발생원마다 해당되는 감축수단을 적용하고, 그러고 나서도 배출되는 부분에 대해서는 CCUS 기술을 적용함으로써 달성할 수 있다(이고은, 2022). 시멘트 산업의 이산화탄소 배출은 크게 직접배출, 간접배출, 공정배출로 나눌 수 있다. 직접배출은 연료의 사용에 의한 배출, 간접배출은 설비를 작동시키는 데 드는 전력 사용에 의한 것이고 공정배출은 시멘트의 원료인 석회석(CaCO3)의 탈탄산 과정에서 발생되는 이산화탄소를 말한다. 세 가지 배출경로 중에서 직접배출이 33.4%, 공정배출이 60.0% 정도로 차지하는 비중이 크므로 이와 관련해 연료 및 원료를 전환하는 것이 주요 감축수단에 해당한다(이고은, 2022). 이중 직접배출을 감축하는 주요 수단은 화석연료를 수소, 바이오매스 등의 신연료나 순환자원으로 전환하는 것이다. 시멘트산업은 탄소중립 목표로 2050년까지 유연탄 등의 고체 화석연료를 폐합성수지 60%, 바이오매스와 연동한 수소 열원 40%로 완전 대체할 것이라고 발표한 바 있다. 2019년 국내 시멘트산업의 직접배출 관련 에너지 소비 비중은 석탄류(56.2%)와 석유류(27.5%)가 전체의 80% 이상을 차지하고 있다(이고은, 2022). 따라서 탄소배출계수가 높은 석탄, 석유류의 연료를 탄소배출계수가 낮은 대체연료로 전환하여 탄소배출을 저감하고자 하는 것이다. 하지만 수소 열원의 경우 아직 연구단계가 초기에 머물러 있으므로, 적극적으로 연구개발을 진행할 시 2040년 이후에나 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 따라서 우리는 순환자원 사용 확대에 초점을 맞추어 설계의 방향을 잡았다.
  

• 2) 기존의 기술 제도상 문제
  폐타이어, 폐고무, 폐플라스틱 등의 순환자원은 많은 에너지를 포함하고 있어 대체연료로서 재활용이 가능하다. 하지만 이러한 순환자원들은 불순물의 성분에 따라 시멘트 제조공정과 품질에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있다. 폐기물에 함유된 염소, 알칼리, 유황 등의 휘발성분은 킬른과 예열기 내에서 순환하며 농축되고, 이에 따라 녹는점이 낮은 화합물을 형성하여 킬른에 코팅으로 부착하게 된다(이승헌, 2001). 결과적으로 이러한 코팅은 킬른의 안정성을 떨어뜨려 시멘트 제조 공정의 불안정성을 높이게 된다. 특히 휘발성분 중에서도 예열기의 코팅 형성에 가장 큰 영향을 미치는 것은 염소농도의 변화이다(이승헌, 2001). 이를 해결하기 위해 시멘트 제조공장에서는 염소를 제거하기 위해 염소 바이패스 설비를 운영 중이다. 그런데 대체연료로 사용되는 폐기물은 한 종류만 사용되는 것이 아니라 폐타이어, 폐합성수지, 폐고무 등 다양한 종류가 사용되며, 이들 각각의 염소성분과 발열량 편차가 존재한다. 이러한 성분 편차 때문에 각 폐기물의 사용량에도 편차가 발생하게 되며, 이는 결과적으로 연료로 투입되는 폐기물의 총 염소함량 편차를 크게 만들어 염소 바이패스 설비의 효율에도 영향을 미치게 된다(최재원 외, 2021). 물론, 소성로에 투입되는 폐기물에는 법으로 정한 품질 기준이 존재한다. 폐기물관리법 시행규칙의 폐기물 재활용 기준에 따르면 폐기물을 시멘트 보조연료로 사용하는 것은 R-8-1 유형에 속한다. 폐기물을 해당 유형으로 재활용하려면 폐목재를 제외한 폐기물들은 저위발열량 4,500 kcal/kg 이상, 염소농도 2.0 wt.% 미만을 만족하여야 한다. 하지만 폐기물의 발열량과 염소함량은 법적 기준을 만족하는 범위 내에서도 상당한 편차를 보인다. 그럼에도 불구하고 실제 시멘트 제조 시에는 상기 법적 기준을 만족하는 것 외에, 추가로 변동성을 낮추기 위한 별도의 기준을 설정해 놓지 않은 상황이다.
  

• 3) 개발 효과
  우리는 앞서 서술한 문제점을 해결하기 위해, 법적 기준과는 별도로 폐기물의 발열량과 염소함량에 대한 일정 기준을 세우고, 이 기준을 만족하도록 폐기물을 실시간으로 분류하고 혼합 투입하는 프로그램을 설계하고자 한다. 이때 새로이 설정하는 기준은 폐기물 관리법의 저위발열량 4,500 kcal/kg 이상, 염소농도 2.0 wt.%보다 강화된 것으로, 높은 발열량과 낮은 염소함량이라는 기준만으로도 시멘트 제조공정과 품질을 저해하지 않는 좋은 연료라는 지위를 얻을 수 있을 것이다. 또한, 염소함량 기준을 만족하도록 폐기물 비율을 실시간으로 계산하여 혼합 투입하므로 폐기물 연료 사용 시 발생하던 염소함량 변동성 문제를 해결하여 바이패스 설비로 염소를 제거할 때 그 제거 효율의 향상을 기대할 수 있다. 우리는 이와 같이 기존에 폐기물 연료의 한계점으로 고려되던 문제점들을 보완함으로써 순환자원 대체연료의 사용량이 증가하는 것을 기대한다. 그리고 이로써 국내 시멘트업계에서 발표한 2050 탄소중립의 목표를 달성하는 데 기여할 것을 기대한다.

관련 기술의 현황

시멘트산업에서의 순환자원 자원화 및 관련법규 히스토리

순환자원 재활용사업 경과(2021 쌍용C&E ESG보고서)

시멘트 업계는 다량의 탄소배출 특성을 가진 만큼 시멘트 사업을 지속하면서 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해 오랜 기간 다른 산업에서 발생한 부산물과 일반 폐기물들을 제조공정에 활용하는 기술 개발에 힘써왔다. 연료 분야에서는 1996년 폐타이어의 재활용이 정부 시범사업으로서 처음 시행되었고 그 이후로 폐합성수지, 재생연료유, 폐목재 등 다양한 순환자원의 사용이 개시되었으며 최근에는 2030 NDC(Nationally Determined Contributions) 달성과 2050 탄소중립 실현이라는 정부 목표에 맞춰 원료 및 연료 대체제로서 각종 산업부산물 및 생활폐기물과 같은 순환자원을 적극 활용하고 있다. 특히 간접적인 CO2 배출을 저감하는 중요한 기술 중 하나로 대체연료의 중요성이 더욱 부각되면서 순환연료 대체율이 해마다 가파르게 상승하고 있으며 2021년 쌍용C&E는 ESG 보고서에서 2030년에는 90% 연료 대체율을 달성하겠다는 목표를 밝혔다. 하지만 원료 및 연료의 대체제로 사용되는 폐기물은 NOx, 다이옥신과 같은 유해물질을 배출하거나 제조설비에 영향을 미치고 시멘트 품질까지 저하시킬 우려가 있다는 불안감을 가지고 있는 것이 사실이다. 폐타이어가 시멘트 열원으로 사용되기 시작한 이후부터 제정된 순환자원 관련법규는 순환자원 사용 확대에 맞추어 계속해서 추가 및 세분화되었으며, 2050 탄소중립 정책에 따라 순환연료의 사용량이 계속해서 증가한다면 환경기준 등 관련 법규가 다시 강화될 것으로 보인다. 실제로 지난 2022 국감 정책제안으로 소비자주권은 '폐기물 시멘트 환경기준 강화'를 촉구하고 나섰다. 순환자원의 대체연료 적용은 적용기술 뿐만 아니라 정부의 정책과 밀접한 관련이 있으므로 환경유해성에 대한 공감대 형성을 통해 순환자원을 안정적으로 사용할 수 있는 기반을 조성할 필요가 있다.

특허조사

클링커 1kg 생산에 투입되는 열량(kcal⁄(kg∙clinker))=1030(kcal⁄(kg∙clinker))+330(kcal⁄(kg∙clinker))=1360(kcal⁄(kg∙clinker))

관련 시장에 대한 분석

기존 방식 조사 및 비교

내용

마케팅 전략

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

폐기물 데이터 베이스 확보

내용

데이터 처리 능력

내용

목적계통도

내용

개념설계안

내용

상세설계안

내용

기준1

내용

기준2

내용

소프트웨어 설계

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

내용

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

평가

내용

실현가능성

내용

환경성

내용

효율성

내용

독창성

내용

경제성

내용

향후평가

내용