< PreviousMagazine of the Korea Concrete Institute 68 특집 3 | SPECIAL ARTICLES 특히 슬래그류, 폐콘크리트 미분말 및 발생원이 다른 다양한 산업부산물을 비탄산염 원료로 사용할 경우, 클링커링 반응에 미치는 영향 및 미량성분 등에 의한 제조공정 제어가 매우 어려워질 것으로 추정된다. 알칼리 함량이 높은 비탄산염 원료가 사용될 경우, 소성로(kiln) 전 부위 및 예열기(preheater) 하단부, 냉 각기(cooler) 상단부 내 코팅현상이 발생하여 제조설 비 운전에 치명적인 문제 발생 가능성이 존재한다. 또 한, Fe와 같은 성분이 금속 형태로 유입될 경우, 소성 로(kiln)에서 용융, 내화물에 부착된 후 응고 · 용융을 반복하며 팽창을 유발, 내화물을 대거 파손시키는 치 명적인 문제 발생 가능성도 존재한다. 따라서, 비탄산 염 원료를 실제 시멘트 제조설비에서 활용하기 위해 서는 재료 화학반응, 공정에 대한 정확한 이해를 바탕 으로 제조설비에 가해질 수 있는 위험을 사전에 파악 하고 대응하기 위한 기술개발이 필요하다. 2.2 시멘트 저온소성 가능 원료 대체 기술 시멘트 제조공정에서 배출되는 전체 CO 2 중 약 33 %가 연료의 연소로 인해 발생하므로 연료 사용량 을 저감하면 CO 2 배출량을 크게 감축할 수 있다. 시 멘트 저온소성을 위한 기술적 수단으로는 천연 형석 을 이용한 광화제 기술, 반응온도가 낮은 산업부산물 을 다량 활용한 기술이 거론된다. 해외에서는 천연 형 석(Fluorite, CaF 2)을 이용하지만, 국내는 천연 형석 의 부재로 산업부산물인 불소계 슬러지를 활용할 수 있다. 불소계 슬러지는 불산(HF), 혹은 불소 화합물 (NaF 등)을 이용해 전자기판을 구성하거나 불순물 등 오염물질을 제거하며, 이러한 공정을 거쳐 제거된 불 순물은 사용을 완료한 불소(F)와 함께 폐수로 배출되 어 불소계 광물(CaF 2)를 주성분으로 하는 슬러지가 발생한다. 기존 시멘트 제조설비에서 산업부산물을 광화제로 사용한 저온소성 기술의 실증화를 위해 원재료 취급 기술, 시멘트 제조설비 최적화 기술, 환경 및 유해성 검증, 최종제품인 시멘트 및 콘크리트 품질 확보 등이 필요하다. 또한, 도시발생 소각재와 같은 산업부산물 원료를 이용한 특수시멘트를 제조할 경우 소성온도 의 저감은 물론 폐자원의 유효 활용으로 CO 2 감축이 표 2. 석회석 원료의 비탄산염 원료 대체 기술내용 전략기술단위기술기술내용 석회석 대체 순환자원 확대 기술 탄산염광물(석회석)원료 대체 기술 시멘트 탄산염원료인 석회석 대체를 위한 비탄산염원료(고로슬래그, 제강슬래그 등의 슬래그류 및 폐콘크리트 미분말 등)의 전처리 기술 탄산염광물(석회석)원료 대체 소성기술 시멘트 제조용 비탄산염 원료의 활용 기술개발과 이를 사용한 시멘트 제조공정 기술 대체원료 시멘트 실공정 투입 및 양산화 기술 석회석 대체원료를 사용한 시멘트·콘크리트 품질특성과 건설소재로의 적용 기술 석회석 대체 순환자원 확대 실증 100만 톤/년 급의 시멘트 제조 소성로를 활용한 탄산염원료(석회석)의 대체원료 활용기술 실증과 이를 사용한 시멘트 제조공정 정상화 운전 기술 표 3. 시멘트 저온소성 가능 원료 대체 기술내용 전략기술단위기술기술내용 시멘트 저온소성 가능 원료 대체 기술 순환자원 및 광화제 기술을 적용한 소성온도 저감 기술 국내산 불소계 슬러지를 광화제로 활용한 소성온도 저감기술로 광화제 작용 메커니즘 규명 및 불소계 슬러지 사용에 따른 환경안전 기술 탄소 저감형 원료를 사용한 특수시멘트 제조기술 개발 탄소 저감형 원료를 활용한 특수시멘트 제조기술 및 활용기술 확보와 특수시멘트 pilot scale 설비 및 실증화 기반 기술 시멘트 저온소성 가능 원료 대체 기술 실증 산업부산물 광화제 및 산업부산물을 다량 활용한 시멘트 저온소성 기술 실증 제 34권 1호 2022. 01 69 가능하다. 일본에서는 이에 대한 기술개발이 완료, 상 용화 되었으나, 국내의 경우 폐기물 다량 사용에 대한 거부감으로 인해 기초 연구 수준에 머물러 있고, pilot plant 이상 실제 설비에서의 연구 및 실증화 사례가 없다. 2.3 혼합재 함량 증대 및 혼합시멘트 확대 기술 시멘트산업의 CO 2 감축을 위해서는 클링커의 사용 량을 줄이고 혼합재 사용량을 높이는 것이 필수적이 다. 이를 위해서는 고성능 클링커 소성기술의 확보와 적용 가능한 혼합재와 혼합량의 도출이 필요하다. 국 내에서는 혼합시멘트의 종류와 개념이 아직 정립되지 않아 자료수집, 기술데이터의 축적과 실용화가 필요 하며, 또한 산업부산물의 사용을 극대화하기 위해 클 링커와의 화학적 적합성을 정량적으로 DB화 할 필요 가 있다. EU와 비교하여 국내에서는 제한적으로 3종의 혼합 시멘트(고로시멘트, 플라이애시 시멘트, 포졸란 시멘 트) 외에 적용되는 산업표준이 없으므로, 현재의 보통 포틀랜드 시멘트와 유사한 석회석 혼합시멘트, 소성 점토 시멘트, 다성분계 혼합시멘트의 개발이 필요하 다. 또한, 혼합재 사용과 높은 수화활성도를 갖는 클링 커의 개발, 적정한 품질을 유지하는 혼합재의 개발, 초 기 재령 수화 반응성 향상을 위한 혼화제의 연구도 필 요하다. 기존 보통 포틀랜드 시멘트의 산업표준의 혼합재 규정은 10 % 이내의 범위로 공정설계 되어 다양한 혼 합재를 대량 활용하기 위해서는 기존 feed weigher 설 비 대비 효율성이 높은 CFW(Constant feed weigher) 설비의 구축이 필요하다. 또한, 다양한 혼합재별 성상, 수분, 피분쇄성 등을 고려하여 현재 시멘트 상업설비 상 대량 투입 가능 여부에 대한 양산시스템의 검토가 필요하다. 특히 혼합재 중 슬래그 등은 클링커와 혼합 분쇄 시 시멘트 분쇄공정의 성능저하 문제를 발생시 키므로 효율적인 분리 분쇄를 통한 혼합시멘트 기술 개발이 필요하고, 시멘트 실 공정 킬른(Klin)을 활용한 고성능 클링커의 대량생산과 혼합재 증대를 위한 실 공정 적용이 필요하다. 2.4 이산화탄소 반응 경화 시멘트 및 제품제조 기술 시멘트산업의 93 % 정도가 소성 공정에서 배출되 는 CO 2로 배출량 감축을 위해서는 소성 단계에서 발 생하는 CO 2를 줄이는 방안이 필요하다. 이산화탄소 반응 경화 시멘트 및 제품제조 기술은 제조공정에서 의 CO 2 감축과 광물탄산화를 통한 CO 2 활용이 가능 한 기술이다. 기존의 Belite cement 및 CSA 클링커 등의 저탄소 클링커 제조기술은 대량 생산공정 기술 및 원료수급 등의 문제로 경제성 확보에 어려움이 있었다. 또한, 분 말도 증가 및 산업부산물 활용 등으로 별도의 가공 프 표 4. 혼합재 함량 증대 및 혼합시멘트 확대 기술내용 전략기술단위기술기술내용 혼합재 함량 증대 및 혼합시멘트 확대 기술 혼합재 증대용 고성능 클링커 제조기술 혼합재 대량 활용 및 혼합재 증대시 초기 강도 향상을 위한 클링커 제조기술 개발 무기계 미활용 자원 활용 혼합재 기술 국내에서 대량으로 발생하는 무기계 순환자원의 시멘트-콘크리트 원료 적용과 다양한 혼합재를 최대 35 % 혼합 가능한 다성분계 혼합시멘트 개발 석회석 미분말 활용 저탄소 시멘트 실용화 기술 석회석 미분말을 시멘트 클링커 대체 재료로 활용한 시멘트 제조기술 및 표준화 소성 점토계 광물을 활용한 저탄소 시멘트 실용화 기술 시멘트 클링커 대체를 위한 소성 점토류의 제조기술로 클링커 대체용 소성 점토 의 활용기술과 이를 사용한 저탄소 시멘트 실용화 기술 혼합재 증대를 위한 실증 기술 100만 톤/년 급 kiln을 활용한 혼합재 증대용 고성능 클링커 생산 실증 및 혼합재 증대를 위한 혼합재 종류별 생산방식 실증 Magazine of the Korea Concrete Institute 70 특집 3 | SPECIAL ARTICLES 로세스가 추가되어야 하므로 경제성 및 생산성이 낮 을 수밖에 없었다. 이산화탄소 반응 경화 시멘트 및 제 품제조 기술은 국내 수급이 용이한 석회석(CaCO 3) 및 실리카(SiO 2) 원료물질을 별도의 공정변경 없이 기 존 시멘트 킬른에 직접 적용해 생산할 수 있어 적용성 이 우수하다. 이산화탄소 반응 경화 시멘트 및 제품제조 기술은 해외에서도 매우 효과적인 감축 수단으로 인식된다. 미국 solidia사는 2015년도부터 이산화탄소와 반응하 여 경화하는 시멘트 클링커의 합성, 물성 발현 메커니 즘 및 내구성 평가, 환경적 영향 등의 연구사례 및 기 술개발 특허 등을 발표하고 있다. 현재는 유럽, 중국 등에서 대량 생산 실증화 연구 개발을 진행하여 이를 토대로 블록, 마감 타일, 패널 등의 상용화를 추진 중 이다. 일본에서는 2022년부터 2030년까지 정형의 콘크리 트 2차 제품을 생산하는 사업의 추진을 발표했고, 중 국에서는 미국 solidia사와 협력하에 로터리 킬른에서 이산화탄소 반응 경화 시멘트 클링커를 제조하고 콘 크리트 공시체를 제작한 후 양생조건에 따른 광물상 변화를 조사 중에 있다. 국내외 CO 2 포집 및 활용 기술은 기초연구 및 실증 화 초기로 경제성과 수요처를 확보하는 과정이 필요 하다. 특히, 광물탄산화의 경우 광물에 CO 2를 고정하 는 전처리 과정에서 다량의 에너지가 소비되고, 탄산 화 과정에서 시간 소요가 많아 실증화 단계에 어려움 이 많았다. 하지만, 이산화탄소 반응 경화 시멘트 및 제품제조 기술은 콘크리트 2차 제품 제조공정에 탄산 화 반응을 적용하여 블록, 마감 타일, 패널, OSC(off- set construction) 제품 등 건설재료로 활용할 수 있어 활용성이 높다. 3. 맺음말 시멘트 산업에서 유효하게 CO 2를 감축할 수 있는 방 안은 석회석의 원료 대체 및 전환과 혼합재 비율의 확 대 적용이다. 따라서 탄소중립을 위한 핵심기술은 석회 석을 대체한 시멘트 제조기술과 슬래그류, 소성 점토, 석회석 미분말 등의 혼합재 사용량 증대를 위한 기술이 다. 국내에서는 시멘트사와 레미콘사가 분리되어, 각각 에서 혼합재를 사용하기 때문에 비율을 높이기 어렵고, 레미콘사도 건설사의 수요와 요구에 맞추기 위해 새로 운 혼합시멘트 및 혼합재의 확대 적용에 대한 대응이 어렵다. 국가적으로 2030 NDC 달성 및 2050 탄소중립의 실 현을 위해서는 관련 업계들의 적극적 협조와 규제 개 선, 개발된 탄소중립 신기술 및 신제품의 우선 사용이 필요하며, 또한 적극적인 기술개발 투자가 필요하다. EU는 2050 탄소중립을 위해 천조 원을 투입하는 것을 결의하였고 그 중 상당 부분을 CCS 등의 신기술 개발 에 할당하고 있다. 국내에서도 이에 발맞춰 탄소중립 산업 핵심 기술개발 사업이 추진되고 있다. 또한, 탄소 중립 기술과 설비투자를 유도하기 위한 세제 혜택과 지 원을 위한 펀드가 조성되어 탄소중립 사회로의 전환이 더욱 가속화될 것이다 . 표 5. 이산화탄소 반응 경화 및 제품제조 기술내용 전략기술단위기술기술내용 이산화탄소 반응 경 화 및 제품제조 기술 이산화탄소 반응 경화 시멘트 제조기술 이산화탄소 반응 경화 시멘트 제조기술 확보 및 시멘트 산업 배출 배기가스 활용 기술 확립 반응 경화 스마트 양생 시스템 기술시멘트 산업 배출 배기가스를 활용한 반응 경화 스마트 양생 시스템 개발 반응 경화 시멘트 2차제품 제조기술이산화탄소 반응 경화 시멘트 기반 저탄소/고내구성 2차제품 제조기술 개발 이산화탄소 반응 경화 시멘트 제조 기술 실증 이산화탄소 반응 경화 시멘트 상용화 대용량 생산기술, 상용급 탄산화양생 실증 기술 및 연속공정 대량생산 기술, 제품 종류에 따른 저탄소/고내구성 친환경 건 설재료 대량생산 제조기술제 34권 1호 2022. 01 71 송훈 수석연구원은 일본 도쿄 대학에서 화재에 의한 고강도 콘크 리트 부재의 내화성능에 관한 연구 로 박사학위를 취득하였고, 현재 한 국세라믹기술원의 수석연구원으로 재직 중이다. 주요 연구분야는 시멘 트·콘크리트의 탄소중립 기술과 초 경량 단열재료를 활용한 건축물 방· 내화 기술이다. songhun@kicet.re.kr 이종규 수석연구원은 일본 동경공업대학에서 석회석 미분 말을 첨가하였을 때의 수화반응 (Hydration in the Ca 3Al2O6- CaSO 4·H2O-CaCO3)에 관한 연 구로 박사학위를 취득하였고, 현재 한국세라믹기술원 탄소중립소재센 터의 수석연구원으로 재직 중이다. 주요 연구주제는 시멘트·콘크리트 화학/제조 공정기술 및 시멘트 탄소 중립 기술에 관한 연구를 수행하고 있다. ljk25@kicet.re.kr 추용식 수석연구원은 한양대 학교에서 유리연마 폐슬러지를 재 활용하여 제조한 다공성 소재의 기 공구조와 물리적 특성에 대한 연구 로 박사학위를 취득하였고, 현재 한 국세라믹기술원 탄소중립소재센터 의 수석연구원으로 재직 중이다. 주 요 연구주제는 시멘트 탄소중립 기 술, 시멘트 및 건설용 무기소재에 대 한 관한 연구를 수행하고 있다. yschu@kicet.re.kr 1. 산업통상자원부, 탄소중립 산업핵심 기술개발, 업종 별 상세기획:시멘트, 2021. 2. 산업통상자원부, 2050 탄소중립을 위한 시멘트그린 뉴딜 기획보고서, 2021. 3. 한국세라믹기술원 외, 친환경 시멘트 제조기술 및 산 업실태 조사, 2020 . 4. 한국시멘트협회, 시멘트산업 온실가스 감축연구회 워 크샵, 2020. 5. 탄소중립위원회, 2050 탄소중립 시나리오, 2021. 6. 탄소중립위원회, 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상 향안, 2021. 참고문헌 담당 편집위원 : 남정수(충남대학교) j.nam@cnu.ac.kr 김병일(서울과학기술대학교) bikim@seoultech.ac.kr 김홍섭(한국건설기술연구원) hongseopkim@kict.re.kr 정동혁(부산대학교) djung@pusan.ac.kr2050 시멘트 산업 탄소중립 실현 핵심기술(제조공정분야) Core Technology for 2050 Carbon Neutrality in the Cement Manufacturing Process 조성형 Sunghyun Joe 쌍용C&E 기술연구소 시멘트콘크리트연구팀 선임연구원 김경수 Kyungsu Kim 쌍용C&E 기술연구소 시멘트콘크리트연구팀 선임연구원 박철 Cheol Park 쌍용C&E 기술연구소 시멘트콘크리트연구팀 책임연구원 임채용 Chaeyong Lim 쌍용C&E 기술연구소 시멘트콘크리트연구팀 수석연구원 특집 4 | SPECIAL ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 72 1. 머리말 시멘트 산업은 현대 사회의 발전에 기초가 되는 건설재료를 공급함으로써, 도시문명을 구축하고 유지하며 나아가 미래 발전의 기초가 되는 기간산업으로서의 역할을 충실히 수행하고 있다. 국내 시멘트 산업의 경우도 전후 국가 재 건 및 혁신적인 경제성장을 이룩하는 초석이 되었으며, 국가 발전과 함께 비약적인 발전을 이루어 왔다. 그러나 국가 발전이 급격한 성장기에서 안정기로 전환되면서, 천연자원 및 환경보호에 대한 중요성이 강조되고 있으며, 국내 시멘 트 산업에서도 천연자원 및 에너지 소비 절감을 위한 끊임없는 기술 개발 노력을 지속해 왔다. 이를 통해 시멘트 제조 에 필요한 천연의 원료 및 연료를 각종 순환자원으로 대체함으로써 과거 대비 천연자원 및 에너지 소비가 혁신적으로 절감되었으며, 나아가 자원순환형 사회를 구축하는 데 있어 매우 큰 역할을 담당하고 있다. 이와 같은 노력은 현시점에서도 지속되고 있으며, 특히 최근 지구환경 보전을 위해 전 세계적인 패러다임으로 대두 된 탄소중립(Carbon neutrality)의 실현을 위해서는 각 산업 부문별로 온실가스 배출 감축을 위한 한 단계 발전된 기 술의 개발이 요구된다. 탄소중립은 온실가스 배출량과 제거량이 상쇄돼 순배출량이 ‘0’이 되는 것을 의미하는 것으로, 이를 달성하기 위해서는 대규모 기술 개발 및 설비 투자가 필요한 실정이다. 이를 위해 국내에서도 시멘트 업계와 정 부 부처 및 연구소, 학계를 중심으로 시멘트 산업의 탄소중립 목표 달성을 위한 국가 R&D 계획을 구체화하고 있는 상황으로, 본고에서는 시멘트 산업에서의 탄소중립 실현에 필요한 R&D 방향 중 제조공정 분야에 대해 간략히 소개 하고자 한다. 2. 국외 시멘트 산업의 탄소중립 추진 방향 유럽의 경우 2019년 12월 European Green Deal 선언에 따라 시멘트 산업도 2050년까지 온실가스 순배출량을 제로 화하여야 하는 상황으로 유럽 시멘트 산업은 5C(Clinker, Cement, Concrete, Construction, Re- Carbonation) 밸류체제 34권 1호 2022. 01 73 인에 따라 2050년까지 시멘트 산업 온실가스 배출 제 로화 시나리오 설정하였다. 시멘트 업종 자체 탄소중 립 달성은 불투명하고 투자가 많이 소요되므로 콘크리 트와 시공단계와의 공조를 통한 탄소중립을 달성 전략 을 수립하였다. 2030년까지 시멘트 산업에서 30 %까 지, 밸류체인을 포함해서 40 %까지 감축하는 목표가 설정되었으며, 구체적으로는 2019년 배출계수 783 kg CO 2/ton of cement에서 2030년 472 kg CO 2/ton of cement, 2050년 0 kg CO 2/ton of cement으로 배출계 수 하향을 목표로 설정하였다. 독일은 유럽 Green Deal 에 대응하기 위해 독일시멘트 협회에서 2가지 시나 리오(Ambitious reference scenario, Climate neutrality scenario)를 설정하여 추진 중이다. Ambitious reference scenario는 현재 이용 가능한 CO 2 감축 기술을 사용하 며, Climate neutrality scenario는 Ambitious reference scenario에 획기적 기술을 추가하여 목표를 달성하는 것으로, 예를 들면 클링커 함량이 35 ~ 50 %인 시멘트 (CEM VI)로 새로운 혼합재 시장을 형성하거나, 수소 를 소성에너지로 사용하는 방법과 함께 CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술도 포함한다. 영국은 2050년까지 온실가스 감축 목표를 설정한 최 초의 국가로, 온실가스를 1990년 대비 80 % 이상 감 축하는 목표를 설정하였으며, 영국 Mineral Products Association에서는 시멘트 산업에서 2050년까지 1990 년 대비 81% 감축하는 시나리오 1 및 62 % 감축하는 시나리오 2를 발표하였다. 2가지 시나리오의 주요한 그림 2. 유럽시멘트협회(CEMBREAU) 2030(좌) 및 2050(우) 탄소중립 로드맵 그림 1. 국내 시멘트 수요 및 CO 2 배출현황(한국시멘트협회)Magazine of the Korea Concrete Institute 74 특집 4 | SPECIAL ARTICLES 감축수단은 대체연료 80 % 사용, 저탄소 시멘트 50만 톤, 시멘트 클링커 치환량 30 %, 공정효율 22 % 개선 및 CCS 적용 등으로 구성되어 있다. 일본은 2016년 5월 온실가스 발생량 감축을 위한 목 표를 설정하였으며, 이는 2030년까지 26 % 감축 및 2050년까지 80 %를 감축하는 것으로 시멘트 산업에서 도 ‘탈 탄소 사회를 지향하는 시멘트 산업의 장기 비전’ 을 설정하였다. 온실가스 저감 방안으로는 클링커 비율 저감, 석회석 대체 원재료의 이용확대, 에너지 효율화 추진, 광화제 사용에 의한 소성 온도 저감, 사용에너지 저탄소화, 저탄소형 신재료의 개발, 이산화탄소 회수 · 이용 · 저장, 구조물 및 해체 콘크리트에 의한 이산화탄 소 고정, 콘크리트 포장 시 중량차의 연비 향상으로 인 한 이산화탄소 저감 등을 제시하였다. 국내의 경우 2020년 2월 범정부 협의체를 구성하여 탄소중립에 대한 사회적 논의를 시작하고, 이후 2020 년 7월 한국판 뉴딜(그린뉴딜) 정책을 발표, 2020년 10 월 2050년 탄소중립 목표를 선언하였다. 이에 시멘트 산업은 정부의 2050 탄소중립 목표 달성에 부응하기 위해 산업통상자원부와 산 · 학 · 연 · 관 협의체인 ‘시멘 트 그린뉴딜 위원회’발족 및 탄소 중립에 필요한 혁신 기술 개발 로드맵 마련을 추진하고 있다. 시멘트 산업 온실가스 배출량은 3천9백만 톤(2019 년)으로 철강(1.19억 톤/2018년), 석유화학(7.1천만 톤/2018년) 다음으로 높으며, 이는 2019년 산업계 총 발생량의 11 %, 국내 총 발생량의 5.6 %를 차지하고 있 다. 2030 로드맵(2017년)에 의하면 시멘트 산업에서는 약 239만 톤-CO 2를 감축해야 하는 상황으로 국가 탄 소중립 목표 달성을 위해 시멘트 산업의 체계적인 온실 가스 감축이 매우 시급한 실정이다. 시멘트 제조공정별 온실가스 발생은 석회석의 탈탄 산, 소성 연료(유연탄) 연소, 운반 · 전기에너지 사용 등 에 주로 기인하며 제조공정별 온실가스 발생 비율은 석회석 탈탄산 60∼65 %, 소성 연료(유연탄) 연소 약 30 % 및 운반 · 전기에너지 소비에 의해 약 5∼10 % 의 비율로 발생된다. 따라서 각 단계별 온실가스 저감 을 위한 기술 개발이 이루어 져야 하며, 이를 위해 한국 시멘트 협회에서는 감축량 달성을 위한 로드맵을 통해 <표 1>와 같이 감축 수단별 이행 목표를 수립하였다. 또한 현재 시멘트 산업 관련 정부 부처 및 민간단체 등 에서는 기존 공정의 온실가스 감축 및 에너지 효율화 전환을 위한 소재 · 공정 · 설비 관련 국가 R&D 추진 계 획의 구체화가 진행되고 있다. 3. 시멘트 산업의 탄소중립 핵심 기술 시멘트 산업의 탄소중립 실현을 위해 기술 개발이 필 요한 분야는 크게 원료대체, 공정효율화, CO 2 포집 및 재활용 분야로 구분할 수 있다. 원료대체 분야에서는 다량의 CO 2를 포함하고 있는 석회석을 CO 2가 없는 비탄산염 CaO 함유 순환자원으 로 대체함으로써 원료의 탈탄산 공정에서 발생하는 공 그림 3. 시멘트 제조공정 개념도 표 1. 시멘트 산업 온실가스 감축수단(2030 로드맵, 한국시멘트협회) 감축수단이행목표 감축량 (CO 2) 원료 대체 시멘트 혼합재 비율 증대6 %~9 % 86만 톤 슬래그시멘트 비중 확대18 %~19 % 연료 대체 연료대체(폐합성수지확대)19 %~21 %23만 톤 신기술 도입 사업장 배출원단위 관리고효율설비 보급2만 톤 CCS-128만 톤 합계239만 톤제 34권 1호 2022. 01 75 정 배출 CO 2를 감축할 수 있는 기술, 클링커 소성 온도 (1450 ℃)를 낮춰 소성에너지를 절감함으로써 연소 배 출 CO 2를 감축할 수 있는 할 수 있는 저온소성 기술과 함께 시멘트 중의 클링커 함량을 저감함으로써 공정 배 출 및 연소 배출 CO 2를 동시에 감축할 수 있는 혼합재 증대 및 신규 혼합시멘트 제조기술 개발이 필요하다. 공정분야에서는 유연탄 등의 화석연료를 폐합성수 지와 같은 가연성 순환자원으로 대량 대체하고, 더 나 아가 바이오매스 및 수소와 같은 저탄소 또는 무탄소 신열원으로 대체함으로써 연소 배출 CO 2를 감축하는 기술 개발이 필요하다. 또한, 소성공정 중 예열기 및 냉 각기의 효율을 향상함으로써 열에너지 사용을 저감할 수 있는 기술 개발도 함께 이루어져야 할 것이다. 한편, 이상의 기술만으로는 공정 배출 CO 2가 전체 CO 2의 약 60 %를 차지하는 시멘트 산업의 탄소중립 실현이 어려우며, 장기적인 관점에서 시멘트 제조공정 발생 가스로부터 CO 2를 효과적으로 포집, 정제하고 이 를 지속적으로 저장 또는 활용할 수 있는 CCUS 기술 개발이 이루어져야 한다. 이처럼 시멘트 산업의 탄소중립 실현을 위해서는 각 분야별 핵심 기술 개발을 위한 R&D 추진이 필요하며, 이를 요약하면 <표 2>와 같다. 4. 시멘트 제조공정분야 탄소중립 핵심 기술 4.1 폐합성수지 사용 증대를 통한 유연탄 사용 최소화 국내 시멘트 산업의 총 탄소배출량 중 소성공정의 연 료 연소에 기인하는 CO 2 배출량은 약 30 % 수준으로 주연료원인 유연탄 사용에 기인한다. 유럽의 경우 오래 전부터 화석연료인 유연탄을 대체하기 위해 가연성 폐 기물 등의 순환연료를 시멘트 소성공정에 사용하는 기 술 개발에 노력을 기울여 왔으며, 현재 매우 높은 수준 의 연료 대체율을 확보하고 있다. 독일의 순환연료 대 체율은 약 68%(2018년 기준) 수준으로 가장 높으며, 유럽연합의 경우도 평균 약 46 % 수준의 순환연료 대 체율을 확보하고 있다. 영국은 2050년까지 온실가스 감축 시나리오에서 가연성 대체연료 사용을 1990년 대 비 81 % 증대하는 목표를 설정하였다. 국내 시멘트 산 업의 경우도 순환연료 대체를 위한 기술 개발을 지속하 그림 5. Burner tip of the DUOFLEX burner from FLSmidth 그림 4. 국가별 시멘트산업 대체연료 활용률 표 2. 시멘트 산업 탄소중립 R&D 추진방향 분야연구개발 추진 방향 원료대체 •석회석 대체 순환자원(비탄산염) 확대 기술 개발 •소성공정 에너지 저감을 위한 저온소성 원료 발굴 •혼합재 함량 증대 및 혼합시멘트 확대 기술 신열원 활용/ 공정효율 향상 •폐합성수지 사용 증대를 통한 유연탄 사용 최소화 •화석연료 기반 열원의 수소 하이브리드 열원 대체 •바이오매스 연료 이용 신열원 개발 •시멘트 제조공정(예열기, 냉각기) 효율 향상 CO 2 포집 및 재자원화 (CCUS) •공정 발생 CO 2 포집 및 탄산염 제조 기술 개발 •이산화탄소 반응경화 제품 제조기술 개발Magazine of the Korea Concrete Institute 76 특집 4 | SPECIAL ARTICLES 여 점차 대체율을 증가시키고 있는 추세이나, 2018년 기준 순환연료 대체율은 약 23 % 수준으로, 독일의 순 환연료 대체율 대비 약 1/3 수준으로 낮은 상황이다. 순환연료 사용을 위한 방안으로서, 킬른 메인버너 의 경우 <그림 5>와 같이 유연탄 외에도 고체, 액체, 가 스 등 다양한 형태의 연료를 사용할 수 있는 Multiple Channel Burner가 개발되어 보급되고 있다. 또한, 예열실의 경우 유연탄에 비해 연소성 및 품질 변동이 큰 순환연료의 균일 공급 및 연소성 향상을 위 해 <그림 6>의 HOTDISC(덴마크 FLSmith사)와 <그림 7>의 PYROROTOR(독일 KHD Humboldt Wedag사) 와 같은 예비 연소설비를 개발하여 유럽을 중심으로 확 대 적용 중이다. 한편, 최근 발생량 증가로 인해 사회적인 문제가 되 고 있는 폐합성수지는 가연성 순환연료 중에서 대량 공 급이 가능하고 열효율이 우수하며, 자원순환 사회의 구 축을 위한 폐기물의 재활용 측면에서도 중요한 시멘트 소성용 대체 연료로서 주목받고 있다. 폐합성수지를 시 멘트 대체연료로 대량 활용하기 위해서는 위에서 설명 한 대체연료 활용 기술과 함께 폐합성수지에 포함된 염 소로 인한 소성공정 및 시멘트 품질에 악영향을 최소화 하기 위한 염소바이패스 기술 등 전 공정에 대한 설비 및 공정 최적화 기술이 확보되어야 한다. 4.2 수소연료 활용 기술 개발 수소는 연소 과정에서 온실가스 발생이 없는 무탄 소 에너지원으로서 수송, 발전, 철강 등 다양한 분야 에서 활용하기 위한 기술 개발 및 실용화가 이루어지 고 있다. 국내 시멘트 산업에서 수소를 소성용 연료로 사용하 기 위한 연구는 전무한 실정이며, 해외의 경우도 미미 한 실정이다. 그러나 타 산업 분야의 경우 실용화 및 사 용화 사례가 보고되고 있어 이를 기초로 시멘트 제조공 정에 적용을 위한 연구개발이 추진되고 상용화된다면 화석연료의 연소에 의해 발생되는 온실가스 발생량을 효과적으로 감축할 수 있을 것이라 판단된다. 수소를 연료로 사용하는 버너는 2018년부터 본격적으로 개발 되기 시작하였으며, 타산업 분야인 가스터빈 및 발전용 연소기 분야에서는 활발한 연구가 진행되고 있다. 일 본의 경우 NOx 배출량을 대폭 낮출 수 있는 수소 전소 버너가 개발 및 상용화되었으며 네덜란드는 2020년 민 관 합동으로 수소산업 컨소시엄을 구성 후 온실가스 저 감을 위한 수소 연소 버너 기술 개발을 추진 중이다. 한편, 2021년 1월 하이델베르그 시멘트는 자회사인 Hanson UK사의 British Ribblesdale 공장에서는 영국 정부의 자금 지원을 통해 세계 최초로 수소를 포함한 그림 6. HOTDISC unit for large alternative fuel particles 그림 7. Pyrorotor for large fuel particles in cement production제 34권 1호 2022. 01 77 탄소중립 연료를 100 % 사용한 킬른 운전 시연을 실시 하였다고 발표하였으며, 수소 39%, 육골분 12 %, 글 리세린 49 %를 연료로 사용함으로써 연소 배출 CO 2를 100 % 감축한 것으로 알려져 있다. 현 단계에서 수소(H 2)를 시멘트 소성 연료로 사용하 기 위해서는 수소 버너 등 설비, 공정기술과 함께 경제 성, 안전 등 해결해야 할 문제가 많은 상황이나, 향후 신재생에너지를 활용한 그린수소가 대량 생산되어 시 멘트 산업에도 활용될 경우 온실가스 배출 감축에도 크 게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 위해서는 수소의 저장 및 공급, 버너 및 연소해 석, 내화물 등 소성 연료 활용을 위한 기술 개발이 필요 할 것으로 판단된다. 4.3 바이오매스 연료 활용 기술 개발 바이오매스란 광합성에 의해 생산되는 다양한 조류 및 식물자원을 뜻하며, 보다 광의로는 모든 산업분야 에서 발생하는 유기성 폐자원 등을 포함한다. 바이오 매스 연소 시 발생되는 CO 2 발생량은 바이오매스가 자연상태에서 부패될 때 발생되는 CO 2 량과 동일하기 때문에 연료원으로 활용 시 CO 2를 추가로 배출하지 않는 장점이 있어 여러 분야에서 차세대 연료원으로 각광받고 있다. 특히, 유럽시멘트협회는 2050 로드맵에서 2030년 순 환연료 대체율 목표 60% 중에서 바이오매스를 30 %, 2050년 90 % 중에서 바이오매스를 50 %로 설정하였 으며, 향후 탄소중립 연료인 바이오매스 사용이 대폭 증가할 것으로 예상된다. 연료로서 활용이 가능한 바이오매스(농 · 임산, 축산 및 도시 폐기 바이오매스)는 다양한 종류가 있으나, 국 내 시멘트 산업에서는 경제성 및 기술적 문제로 인해 아직까지 연료 대체 활용 사례가 미미한 수준이다. 이 는 국내에서 공급 가능한 바이오매스 연료가 제한적이 기도 하지만, 바이오매스의 에너지 밀도가 낮은 경우 시멘트 소성로내 연소 분위기 변화를 초래하며 안정적 인 화염형성이 어렵게 하기 때문이다. 독일 및 일본 등 선진 시멘트사에서는 하수슬러지와 같은 도시 바이오매스, 농· 임산 및 축산 바이오매스를 소성 연료로 사용하는 기술을 개발하여 활용 중이다. <그림 9>는 ANDRiTZ사의 소성로 냉각기의 폐열을 이용한 슬러지 바이오매스 연료 생산 시스템을 나타낸 것으로, 슬러지의 건조를 통한 에너지 고밀도화 및 연 소성 향상으로 시멘트 대체연료 활용이 가능하다. 향후, 국내 시멘트 산업에서도 온실가스 감축 기술로 서 바이오매스 자원의 전처리를 통한 연료 고밀도화 기 술 확보와 함께 시멘트 소성공정의 연료 활용 시 공정 최적화 및 클링커 품질 안정화 기술 개발이 필요할 것 으로 판단된다. 4.4 시멘트 제조공정 효율 향상 시멘트 클링커의 제조를 위해서는 원료의 탈탄산 및 1,450 ℃ 이상의 고온 소성을 위해 클링커 단위 무게당 약 750 ∼ 800 kcal/kg · Clinker 이상의 많은 열에너지 가 필요하며, 이때 발생하는 연소 배출 CO 2는 전체 시 그림 8. 수소를 이용한 클링커 소성-하이델베르그시멘트 그림 9. 킬른 폐열을 이용한 슬러지 바이오매스 연료 생산 시스템Next >