이 연구에서는 시멘트 생산공정에서 석회석 원료에 따른 $CO_2$ 배출량 및 그에 따른 물리적 특성을 파악하기 위해 국내 6개사의 보통포틀랜드시멘트에 대한 CaO 함유량 및 모르타르의 압축강도를 측정하였다. 탈탄산반응 시 발생되는 CaO와 각각의 시멘트에 함유된 석회석의 손실량에 대하여 CaO 함유량 및 압축강도, $CO_2$ 배출량과의 관계를 비교분석하였다. 단위 시멘트에 대한 $CO_2$ 배출량 산정 결과 석회석의 탈탄산에 따른 $CO_2$ 배출량이 전체 배출량의 67%가량 차지하였고, 시멘트 제조 시 공정관리에 따라 $CO_2$ 배출량에 차이가 있음을 확인하였다. 또한 $CO_2$ 배출의 주요 인자로 화석연료의 사용 및 재료 손실률이 지대한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 시멘트 내의 CaO 함유량이 증가함에 따라 압축강도 역시 증가하였으며, CaO 손실량이 클수록 CaO 함유량 및 압축강도는 감소하였으나 $CO_2$ 배출량은 증가함에 따라 시멘트 제조 시 CaO 생성량보다는 재료 및 공정관리가 $CO_2$ 배출에 더 영향력이 있음을 알 수 있었다. 그리고 포졸란계 혼화재인 PFA, GGBS를 사용함으로서 이에 따른 가격, $CO_2$ 배출 및 강도증진 효과가 있음을 확인하였다.
이 연구에서는 시멘트 생산공정에서 석회석 원료에 따른 $CO_2$ 배출량 및 그에 따른 물리적 특성을 파악하기 위해 국내 6개사의 보통포틀랜드시멘트에 대한 CaO 함유량 및 모르타르의 압축강도를 측정하였다. 탈탄산반응 시 발생되는 CaO와 각각의 시멘트에 함유된 석회석의 손실량에 대하여 CaO 함유량 및 압축강도, $CO_2$ 배출량과의 관계를 비교분석하였다. 단위 시멘트에 대한 $CO_2$ 배출량 산정 결과 석회석의 탈탄산에 따른 $CO_2$ 배출량이 전체 배출량의 67%가량 차지하였고, 시멘트 제조 시 공정관리에 따라 $CO_2$ 배출량에 차이가 있음을 확인하였다. 또한 $CO_2$ 배출의 주요 인자로 화석연료의 사용 및 재료 손실률이 지대한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 시멘트 내의 CaO 함유량이 증가함에 따라 압축강도 역시 증가하였으며, CaO 손실량이 클수록 CaO 함유량 및 압축강도는 감소하였으나 $CO_2$ 배출량은 증가함에 따라 시멘트 제조 시 CaO 생성량보다는 재료 및 공정관리가 $CO_2$ 배출에 더 영향력이 있음을 알 수 있었다. 그리고 포졸란계 혼화재인 PFA, GGBS를 사용함으로서 이에 따른 가격, $CO_2$ 배출 및 강도증진 효과가 있음을 확인하였다.
In this study, contents of limestone in cement manufactured by six domestic plants for Portland cement were investigated in terms of the strength and its relation to the $CO_2$ emission due to limestone material and its physical properties in cement manufacturing process. the relationship...
In this study, contents of limestone in cement manufactured by six domestic plants for Portland cement were investigated in terms of the strength and its relation to the $CO_2$ emission due to limestone material and its physical properties in cement manufacturing process. the relationship among CaO content, compressive strength, and $CO_2$ emission was surveyed for the limestone quantity in decomposition reaction and the loss of limestone quantity contained in each cement. As a result of $CO_2$ emission calculation for unit cement, it was found that the $CO_2$ emission due to decomposition of limestone was occupied 67% of total emission quantity. Furthermore, there was a difference in $CO_2$ emission quantity depending on the cement manufacturing process management. Also, it was shown that fossil fuel usage and material loss had a major influence as main factors of $CO_2$ emission. An increase in the CaO content in cement resulted in an increase in the compressive strength. On the contrary, CaO content and compressive strength were reduced with the growth of loss quantity of limestone. It was verified that the material and process management were more effective than CaO yield in cement manufacturing for $CO_2$ emission with the growth of $CO_2$ emission quantity. Pozzolanic materials such as PFA and GGBS in concrete mix affected the price, $CO_2$ emission and development of strength of concrete.
In this study, contents of limestone in cement manufactured by six domestic plants for Portland cement were investigated in terms of the strength and its relation to the $CO_2$ emission due to limestone material and its physical properties in cement manufacturing process. the relationship among CaO content, compressive strength, and $CO_2$ emission was surveyed for the limestone quantity in decomposition reaction and the loss of limestone quantity contained in each cement. As a result of $CO_2$ emission calculation for unit cement, it was found that the $CO_2$ emission due to decomposition of limestone was occupied 67% of total emission quantity. Furthermore, there was a difference in $CO_2$ emission quantity depending on the cement manufacturing process management. Also, it was shown that fossil fuel usage and material loss had a major influence as main factors of $CO_2$ emission. An increase in the CaO content in cement resulted in an increase in the compressive strength. On the contrary, CaO content and compressive strength were reduced with the growth of loss quantity of limestone. It was verified that the material and process management were more effective than CaO yield in cement manufacturing for $CO_2$ emission with the growth of $CO_2$ emission quantity. Pozzolanic materials such as PFA and GGBS in concrete mix affected the price, $CO_2$ emission and development of strength of concrete.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 시멘트 생산 시 발생되는 CO2 배출량 저감을 위하여 시멘트 제조 공정분석, 원료 및 연료 사용현황, 시멘트 생산에 따른 에너지 소모량 및 비용, CO2 배출특성 및 배출인자를 조사하여 시멘트 제조시 발생되는 CO2 배출량을 정량화 하였다. 또한 CO2 저감방안으로 시멘트 제조 시 킬른 내에서 석회석의 탈탄산 과정에서의 CaO로의 생성효율을 최대화하여 콘크리트의 물리적 특성도 향상시키고, 포졸란계 혼화재의 사용으로 CO2 배출량 저감 및 경제성을 최적화 하기위해 PFA, GGBS를 치환하여 이때 발생하는 CO2 배출량과 경제성에 대해 비교 분석하여 CO2 배출량 저감을 위한 방안을 제시하였다.
또한 산업부산물은 OPC와 비교하여 낮은 CO2 배출량에 기인한 환경성, 저렴한 원재료비에 의한 경제성, 수화열 저감 및 강도발현에 기인한 품질향상에 초점을 맞추어 최종적으로 CO2 배출량 저감을 위한 연구를 수행하였다. 이에 혼화재를 사용하지 않은 콘크리트에 비해 품질이 저하되지 않고, 경제성과 환경성을 최적화하기 위해 OPC, 60% GGBS, 30% PFA 모르타르를 제작하여 강도발현과 더불어 이때 발생하는 CO2 배출량 및 경제성에 대해 고찰하였다.
가 배출된다. 배출원 중 석회석의 탈탄산은 시멘트 제조 공정에서 배출되는 CO2의 가장 큰 비율을 차지하므로, 이 연구에서는 석회석 투입에 대한 탈탄산 과정에서의 CO2 배출 저감 부분에 대해 접근하여 탈탄산화 시 투입되는 석회석의 양을 조절하여 CO2 배출량을 감소시키는 방안에 대해 연구를 수행하였다.
이 연구에서는 시멘트 생산에 따른 CO2 배출에 관한 주요인자 및 해결방안에 대해 다루었다. 특히 CO2 배출의 주요 원인이 화석연료의 사용과 CaO를 시멘트 내에 생성시킴에 있어 발생하는 화학적 전이에 초점을 맞추어 연구를 진행하였고 아래와 같은 결론을 도출하였다.
배출량 저감을 위한 연구를 수행하였다. 이에 혼화재를 사용하지 않은 콘크리트에 비해 품질이 저하되지 않고, 경제성과 환경성을 최적화하기 위해 OPC, 60% GGBS, 30% PFA 모르타르를 제작하여 강도발현과 더불어 이때 발생하는 CO2 배출량 및 경제성에 대해 고찰하였다. OPC 및 산업부산물인 GGBS, PFA의 CaO 함유량, 단위 CO2 배출량, 가격을 Table 3에 나타내었다.
가설 설정
10) 또한 단위 시멘트 제조 시 투입되는 석회석 투입량, 클링커내의 CaO 함유량에 따라 콘크리트의 강도 및 CO2 배출량은 상당한 차이가 있다.11,12) 국가별 시멘트 제조시 발생되는 단위 CO2 배출량 역시 인도 0.
제안 방법
시멘트 공정별 CO2 배출특성 및 배출인자에 대한 상세 정보는 국내시멘트 산업연관표를 이용한 통계적 추론을 통하여 분석하였다. CO2 배출량은 국내 6개사의 CaO 함유량을 바탕으로 산정하였다.
배출량을 정량화 하였다. 또한 CO2 저감방안으로 시멘트 제조 시 킬른 내에서 석회석의 탈탄산 과정에서의 CaO로의 생성효율을 최대화하여 콘크리트의 물리적 특성도 향상시키고, 포졸란계 혼화재의 사용으로 CO2 배출량 저감 및 경제성을 최적화 하기위해 PFA, GGBS를 치환하여 이때 발생하는 CO2 배출량과 경제성에 대해 비교 분석하여 CO2 배출량 저감을 위한 방안을 제시하였다.
골재의 형태, 치수 및 모양에 따라 콘크리트의 강도가 영향을 받는 것을 방지하기 위해 표준사를 이용한 모르타르 시험체(50×50×50 mm)를 제작하였다. 시멘트 : 물 : 잔골재의 비는 중량기준 0.40 : 1.00 : 2.45로 하였으며 7, 28, 56일에 측정하였다.
배출량을 산정하였다. 시멘트 공정별 CO2 배출특성 및 배출인자에 대한 상세 정보는 국내시멘트 산업연관표를 이용한 통계적 추론을 통하여 분석하였다. CO2 배출량은 국내 6개사의 CaO 함유량을 바탕으로 산정하였다.
시멘트 조성에 따른 압축강도의 차이를 평가하기 위해 국내 6개사에서 생산되는 OPC의 압축강도를 측정하였다. 골재의 형태, 치수 및 모양에 따라 콘크리트의 강도가 영향을 받는 것을 방지하기 위해 표준사를 이용한 모르타르 시험체(50×50×50 mm)를 제작하였다.
1%로 나타났다. 시멘트 중의 CaO 함유량은 시멘트 생산에서의 CO2 배출기원에 가장 큰 영향을 미치고, CaO 함유량 조절은 시멘트 소성공정에서 CO2 배출을 감소하기 위한 가장 현실적인 방법이라 판단되어 시멘트 중의 CaO 함유량을 바탕으로 CO2 배출량을 산정하였다.
배출에 관한 주요인자 및 해결방안에 대해 다루었다. 특히 CO2 배출의 주요 원인이 화석연료의 사용과 CaO를 시멘트 내에 생성시킴에 있어 발생하는 화학적 전이에 초점을 맞추어 연구를 진행하였고 아래와 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
골재의 형태, 치수 및 모양에 따라 콘크리트의 강도가 영향을 받는 것을 방지하기 위해 표준사를 이용한 모르타르 시험체(50×50×50 mm)를 제작하였다.
이론/모형
이 연구에서는 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 방법론 중 Tier 1을 따랐으며, 연료기원의 배출계수를 적용하여 국내 6개 사 OPC의 CO2 배출량을 산정하였다. 시멘트 공정별 CO2 배출특성 및 배출인자에 대한 상세 정보는 국내시멘트 산업연관표를 이용한 통계적 추론을 통하여 분석하였다.
성능/효과
1) 시멘트 제조 시 CO2 발생의 주요인자인 화석연료에 대하여 제조사별 일정량의 시멘트 생산을 위한 화석연료 사용량이 클수록 CO2 발생량은 증가하였으나, 화석연료 사용에 따른 시멘트 내의 CaO의 양과는 무관하였다.
지구 온난화의 원인으로 화석연료의 사용을 들 수 있는데, 건설 분야에서 사용되는 화석연료의 사용량이 전체 화석연료 사용량의 약 24%에 달하고 있고, 산업의 발전과 더불어 지속적인 증가 추세를 보이고 있다.1) 이 중 국내의 시멘트 산업에 의해 연간 약 1600만톤의 CO2가 발생하며 국내 전체 CO2 배출량은 약 7%에 해당하는 매우 높은 수치이다.2) 이에 국내외에서는 시멘트 및 콘크리트 생산에 따른 CO2 배출량 저감과 관련된 많은 연구가 진행되고 있으며 포졸란계 혼화재를 치환하여 시멘트 사용의 억제, 재생골재 및 폐타이어 등 폐기물의 시멘트용 또는 콘크리트용 재료로 재활용, 콘크리트의 탄산화에 따른 배출된 CO2의 재흡수에 대한 연구가 진행되고 있다.
2) 시멘트 제조 시 석회석의 화학적 전이에 따른 CaO로의 생성효율이 떨어질수록 추가적인 화석연료의 사용으로 인한 CO2 발생은 증가하였다.
3) 국내에서 생산되는 보통포틀랜드시멘트로 제작된 모르타르의 강도 측정 결과, 시멘트의 CaO 함유량이 높을수록 약간의 강도증진은 보였으나 미미한 수준이었으며, 강도와 같은 시멘트의 품질향상을 위해 CaO 함유량을 증가시키는 것은 강도 및 환경에 큰 도움이 되지 않음을 보여준다.
60% GGBS의 경우 강도는 약 21% 증가한 반면 CO2 배출량은 OPC의 50% 정도 수준이었다. 30% PFA는 강도증진 14%, CO2 배출 감소율은 28%로 우수하였다. 그러나 경제적인 측면에서 30% PFA가 가장 우수하였으나 이는 정제과정 및 혼입률에 따라 크게 변할 것으로 예상되며 기본적으로 OPC와 비교해서 경제적일 것으로 판단된다.
4) CO2 배출 저감을 위한 포졸란계 혼화재인 PFA, GGBS의 사용은 강도증진, CO2 배출저감 및 경제성까지 갖추었다. 특히 GGBS의 경우 강도는 21% 증가한 반면 CO2 배출량은 오히려 50% 감소하는 결과가 도출되었다.
56일 재령의 압축강도는 OPC < 30% PFA < 60% GGBS 순으로 나타났으며, CO2 배출량은 60% GGBS < 30% PFA < OPC 순으로 확인됨에 따라 강성 및 환경영향성 측면에서 포졸란계 혼화재를 첨가한 시험체가 우수함을 알 수 있다.
56일 재령의 압축강도는 OPC < 30% PFA < 60% GGBS 순으로 나타났으며, CO2 배출량은 60% GGBS < 30% PFA < OPC 순으로 확인됨에 따라 강성 및 환경영향성 측면에서 포졸란계 혼화재를 첨가한 시험체가 우수함을 알 수 있다. 60% GGBS의 경우 강도는 약 21% 증가한 반면 CO2 배출량은 OPC의 50% 정도 수준이었다. 30% PFA는 강도증진 14%, CO2 배출 감소율은 28%로 우수하였다.
4는 시멘트 제조 시의 CaO 손실률에 대한 CO2 배출량을 나타낸 것이다. CaO 손실률이 23.62～8.69%로 감소할수록 CO2 배출량은 911 kg-CO2에서 729 kg-CO2로 감소하는 것으로 나타났다.
시멘트 중의 CaO 함유량에 따라 CO2 배출량은 차이를 보이나 일관성이 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 시멘트 제조공정에서 발생하는 CO2 배출량은 시멘트 중의 CaO의 발생에서 비롯되긴 하나 각 시멘트사별 결과를 비교할 때 큰 영향성은 없는 것으로 판단된다.
5%를 차지하였다. 또한 킬른 온도를 일정하게 유지하기 위한 화석연료의 연소에 따른 CO2 배출량이 195 kg-CO2로 전체 CO2 배출량의 26.7%, 설비에서의 전력 사용에 따른 CO2 배출량이 47 kg-CO2로 전체 CO2 배출량의 5.8%를 차지하였다. 이상 3가지 배출원은 본질적으로 상호 독립적이며, 배출원 중 석회석의 탈탄산에 따른 CO2 배출이 시멘트 제조 공정에서 배출되는 CO2의 가장 큰 비율을 차지하는 것으로 나타났다.
석회석의 탈탄산에 따른 CaO의 손실률의 차이는 시멘트 제조 시 원가에도 직접적인 영향을 미치는데 추가적인 재료의 투입, 에너지의 사용에 따른 것으로 보이며 Fig. 5에서 보는 바와 같이 CaO 손실률에 따른 최대 단위시멘트(톤) 가격을 4,851원 줄일 수 있으며, 이는 시멘트 1톤 제조 시 생산 가격의 20.2%에 해당한다.
시멘트 제조사별 1톤의 시멘트를 생산하기 위한 화석연료의 사용량이 증가할수록 CO2 배출량은 증가함에 따라 시멘트 제조 시 투입되는 화석연료 사용량은 CO2 배출 및 시멘트의 생산원가에 직접적인 영향을 미침을 알 수 있다. 시멘트 제조 시 사용되는 화석연료의 양이 97 kg에서 68 kg으로 감소됨에 따라서 CO2 배출량 역시 224 kg-CO2에서 157 kg-CO2로 감소되는 것으로 나타났다. 킬른 온도를 일정하게 유지하기 위한 화석연료의 연소에 따른 CO2 배출량은 전체 CO2 배출량의 26.
1%로 측정되었으며, 각각의 시멘트 중의 CaO 함유량에 대한 CO2 배출량은 729～911 kg-CO2로 산정되었다. 시멘트 중의 CaO 함유량에 따라 CO2 배출량은 차이를 보이나 일관성이 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 시멘트 제조공정에서 발생하는 CO2 배출량은 시멘트 중의 CaO의 발생에서 비롯되긴 하나 각 시멘트사별 결과를 비교할 때 큰 영향성은 없는 것으로 판단된다.
8%를 차지하였다. 이상 3가지 배출원은 본질적으로 상호 독립적이며, 배출원 중 석회석의 탈탄산에 따른 CO2 배출이 시멘트 제조 공정에서 배출되는 CO2의 가장 큰 비율을 차지하는 것으로 나타났다.
1에 나타내었다. 회사별로 729～911 kg-CO2가 발생되며, 6개사 평균은 822 kg-CO2로 나타났으며, OPC별 CO2 배출인자로는 킬른 내에서 석회석의 탈탄산에 따른 CO2 배출량이 평균 579 kg-CO2로 전체 CO2 배출량의 67.5%를 차지하였다. 또한 킬른 온도를 일정하게 유지하기 위한 화석연료의 연소에 따른 CO2 배출량이 195 kg-CO2로 전체 CO2 배출량의 26.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건설 분야에서 사용되는 화석연료는 전체 화석연료 사용량의 얼마인가?
최근 들어 콘크리트 생산 및 콘크리트 구조물의 건설에 따른 환경오염 및 환경부하에 관한 문제점이 부각되고 있으며, 특히 건설과 관련하여 가장 문제가 되는 것이 지구 온난화 문제이다. 지구 온난화의 원인으로 화석연료의 사용을 들 수 있는데, 건설 분야에서 사용되는 화석연료의 사용량이 전체 화석연료 사용량의 약 24%에 달하고 있고, 산업의 발전과 더불어 지속적인 증가 추세를 보이고 있다.1) 이 중 국내의 시멘트 산업에 의해 연간 약 1600만톤의 CO2가 발생하며 국내 전체 CO2 배출량은 약 7%에 해당하는 매우 높은 수치이다.
시멘트 생산에 따른 CO2 배출에 화석연료의 사용량과 시멘트 내의 CaO양은 어떤 관계가 있는가?
1) 시멘트 제조 시 CO2 발생의 주요인자인 화석연료에 대하여 제조사별 일정량의 시멘트 생산을 위한 화석연료 사용량이 클수록 CO2 발생량은 증가하였으나, 화석연료 사용에 따른 시멘트 내의 CaO의 양과는 무관하였다.
시멘트 제조 시 발생되는 CO2 배출량은 대부분 어디서 온 것인가?
시멘트는 주원료인 석회석과 기타 점토질 광물 등을 혼합 분쇄하여 1400℃ 이상의 고온에서 소성시켜 제조되며 주성분은 규산(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화철(Fe2O3) 및 석회(CaO)로 구성되며 시멘트 제조 공정은 크게 채광공정, 원료분쇄공정, 시멘트 소성공정, 제품 및 출하공정으로 이루어진다. 특히 시멘트 제조 시 발생되는 CO2 배출량은 시멘트 소성공정에서 발생되는 CO2 배출량이 대부분을 차지하며, 시멘트의 중간 생산품인 크링커 생산 중에 주로 발생된다. 시멘트 소성공정에서의 CO2 배출은 시멘트소성로 내 석회석의 탈탄산 과정에서 발생하는 것으로 소성시설에서 석회석(CaCO3)이 가열되면, 다음 식과 같이 석회(CaO)가 생성되며 이 과정 중에서 CO2가 배출되며, 배출 식은 다음과 같다.
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