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

① 가연성 고상 폐기물의 처리방법 (10-2000-0000140, 쌍용씨앤이 주식회사)

상기 특허는 폐합성고무, 폐합성수지, 폐합성섬유, 폐지 및 폐목재로 이루어진 군으로부터 적어도 둘 이상 선택된 가연성 고상 폐기물을 발열량 3000 kcal/kg 이상, 염소함량 2000 ppm 이하를 만족하도록 혼합, 파쇄하여 시멘트 소성용 보조연료로 사용하는 처리방법에 관한 것이다. 해당 특허에서는 그림 1과 같은 성분 및 연소특성을 갖는 각종 가연성 고형 폐기물을 각각 그림 2에 나타난 성분비율 및 조건을 만족하도록 하여 시멘트를 제조할 때의 보조연료로 사용하여 처리하였다. 이는 우리 설계 아이디어와 부분적으로 유사한 점이었으며, 우리는 이 특허에서 추가로 참고할 만한 점을 찾았다. 해당 특허에서는 소성로 투입 폐기물의 비율을 결정할 때 임의로 두 종의 폐기물을 선정해 적절한 비율을 미리 결정하였다. 두 종의 폐기물을 임의로 선정한다는 점에서 착안하여, 우리 설계에서도 소성로 투입 폐기물 비율을 계산할 때 모든 폐기물을 비율 계산에 반영하지 않고 몇 종의 폐기물만 뽑아서 계산에 이용하는 것으로 구체화하였다.

② 연속공정용 대용량 데이터를 실시간으로 처리하기 위한 스마트팩토리 플랫폼 (10-2016-0112865, 주식회사 포스코아이씨티)

연속공정용 대용량 데이터 실시간 처리를 위한 스파트팩토리 플랫폼 도면

연속공정 생산방식의 경우 데이터 수집 주기가 짧고 데이터의 양이 많아 각 데이터 간의 관계를 분석하기 어렵다. 상기 특허는 연속공정에서 발생하는 데이터를 분석 및 가공하여 각 공정별로 발생한 데이터들의 상관관계에 기초하여 연계 처리가 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다. 우리는 이 특허를 참고하여 전처리되어 들어온 폐기물들을 소성로에 투입하기 전, 폐기물의 품질 데이터를 분석, 가공하여 소성로 투입 비율을 결정하는 부분에 적용할 수 있을 것이라 기대한다.

특허전략

기존 특허 ‘가연성 고상 폐기물의 처리방법’에서는, 혼합 비율을 구할 페기물들의 종류과 그 조합이 이미 정해져 있었다. 또한 혼합은 두 가지의 폐기물만으로 이루어졌으며, 그 비율 또한 사전에 정해진 것이었다. 여기에는 폐고무류, 폐타이어류, 폐합성수지류 등 각 폐기물류마다 초기에 조사한 발열량, 염소함량 값이 항상 동일하다는 가정이 포함되어야 한다. 하지만 우리가 쌍용C&E 동해공장의 순환자원 공개정보를 확인한 결과, 같은 폐기물류에 속한다고 해도, 업체에 따라 반입되는 폐기물의 발열량, 염소함량 값에 상당한 차이가 존재했다. 따라서 초기에 미리 구한 혼합 비율은 폐기물의 실제 성분 값을 제대로 반영하지 못한다고 볼 수 있다.

반면에 우리 설계에서는 세 종류의 폐기물을 섞어 혼합 비율을 구하며, 이때 비율 계산에 사용되는 폐기물들은 미리 정하는 것이 아니라 실시간으로, 임의로 선택된다. 선택되는 폐기물들은 9개의 저장소에 보관된 혼합폐기물들이며, 시멘트 공장으로 실시간으로 반입되는 새로운 폐기물들에 의해 각 저장소의 혼합폐기물들의 발열량과 염소함량 대푯값 또한 실시간으로 조금씩 변화한다. 즉, 현장에서 반입되는 폐기물들의 실제 발열량, 염소함량 등이 비율 계산에 확실히 반영된다. 실시간으로 변하는 혼합폐기물의 성분을 반영한다는 점 때문에, 이 혼합폐기물들을 골라 구하는 혼합 비율 또한 실시간으로 계산하여 구하게 된다. 정리하자면, 기존 특허와 구분되는 우리 설계만의 차별점은 바로 실시간으로 현장에 반입되는 다양한 실제 폐기물의 성분 값을 반영한다는 것과, 이에 따라 혼합 비율 또한 실시간으로 계산된다는 점이다.

관련 시장에 대한 분석

기존 방식 조사 및 비교

현재 우리가 고안한 소성로에 폐기물 연료를 투입하는 방식은 이에 관련된 기술 시장이 없기 때문에 기존 방식에 대한 비교 분석이 필요하다. 발열량 4500kcal/kg이상, 염소함량 2%이하의 법적 기준 외에 업체 측에서는 안정적인 사용을 위해 폐기물의 이물질 제거를 진행하고 있다. 폐기물의 투입은 폐합성수지, 폐타이어, 폐합성고무의 반입 성상 및 가공 방식에 따라 다르다. 연료로 사용되는 다음 세 종류의 폐기물의 반입 형태는 다음과 같다.

cellpadding="20" sellspacing="0" border="1"

구분	폐합성수지	폐타이어	폐합성고무
반입성상	약 ±50㎜ 분쇄	원형, chip(±150㎜ 파쇄)	원형, chip(±150㎜ 파쇄)
투입방식	단독투입	원형: 소성로 단독 투입	전량 chip 가공
		폐타이어, 폐합성고무 chip은 혼합, 별도 투입

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

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목적계통도

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개념설계안

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상세설계안

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기준1

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기준2

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소프트웨어 설계

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

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프로토타입 사진

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포스터

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평가

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실현가능성

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환경성

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효율성

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독창성

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경제성

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향후평가

내용