[논문]시멘트 소성공정에 사용된 대체연료와 대기배출가스간 상관관계 연구

최재원; 백주익; 권상진; 원필성; 강봉희

doi:10.14190/jrcr.2020.8.3.286

시멘트 소성공정에 사용된 대체연료와 대기배출가스간 상관관계 연구
Study on the Correlation between Air Emission Gas and Alternative Fuels Used in Cement Sintering Process 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.3, 2020년, pp.286 - 293

최재원 (아세아시멘트 기술연구소) , 백주익 (아세아시멘트 기술연구소) , 권상진 (아세아시멘트 기술연구소) , 원필성 (아세아시멘트 기술연구소) , 강봉희 (아세아시멘트 기술연구소)

초록
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본 연구에서는 시멘트 소성공정에 연료로 사용된 가연성 산업부산물 및 생활폐기물의 사용량와 대기배출가스중 유해성분인 NOx, CO 발생량을 비교함으로써 상관관계를 확인하고자 하였다. 분석은 천연연료로서 유연탄, 대체연료로서 연질 플라스틱류(비닐류 등 풍력에 의해 비산되기 쉬운 성질의 플라스틱류), 경질 플라스틱류(폐고무, PET 등 풍력에 비산되지 않는 성질의 플라스틱류), 재생유를 사용하는 국내 A시멘트 제조사 소성설비의 연료투입량 및 연소온도 등 2019년 공정 데이터를 독립변수로 하고, stack으로 배출되는 NOx, CO량을 종속변수로 하여 반응표면분석(RSM) 기법을 활용해 상관관계를 분석하였다. 분석결과 폐기물마다 배출물질에 미치는 영향이 상이함을 확인하였고, 특히 경질 플라스틱류는 CO 배출은 증가시키지만 NOx를 저감하는 효과가 뛰어난 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we tried to verify the correlation of the amount of combustible industrial by-products, household waste used as fuels on cement sintering process and the amount of NOx, and CO, harmful components in the exhaust gas. The analysis uses coal as natural fuel, soft plastics (plastics with properties that tend to be scattered by wind, such as vinyls), hard plastics (plastics with properties that are not scattered by wind, such as PETs, wate rubbers), and reclaimed oils as alternative fuels. Utilizing the response surface analysis (RSM) technique using the process data of 2019, such as the fuel input and combustion temperature of a domestic A cement manufacturer's sintering facilities as independent variables, and the NOx, and CO emissions to the stack as dependent variables. Correlation was analyzed. As a result, it was confirmed that the impact on the emission material differs for each waste. In particular, it was analyzed that the hard plastics increase the CO emission but have an excellent effect of reducing NOx.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Typical manufacturing process of cement (Winter 2009)
그림 Fig. 2. Flow of Air, Materials, Fuels in sintering process
표 Table 1. Specification of Kiln refered in this paper
그림 Fig. 3. Histogram of each emission components
표 Table 2. Measurement technic for each emission components
그림 Fig. 4. Scatter plot between NOx and CO
그림 Fig. 5. Main effects plots for NOx
표 Table 3. Result of RSM analysis of the effect of process parameters on emission components(linear terms only)
그림 Fig. 6. Main effects plots for CO
그림 Fig. 7. Compare of factor affecting CO & NOx emission using contour plot (left : CO, right : NOx)
그림 Fig. 8. Typical CO and NOx trends (Lefebvre, 2000)

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본고에서는 국내 A시멘트 제조사 소성설비의 2019년 공정 데이터, 그중에서도 특히 연료로 사용된 가연성 산업부산물 및 생활폐기물의 사용량과 대기배출가스중 유해성분을 측정한 측정값을 비교함으로써 시멘트 제조공정에 사용된 폐기물의 양과 대기배출 유해물질 발생량의 상관관계를 확인하여 이들간의 인과관계를 규명하고자 하였다.
반응표면분석이란 여러 실험 인자들의 수준이 변동할 때 어떤 요인이 반응에 유의한 영향을 주는지, 또 그 영향의 수준이 어떠한지를 확인할 수 있는 분석방법으로, 본 연구에서는 측정된 데이터중 원료량, 온도(kiln & calciner), 유연탄l(kiln & calciner), 경질 플라스틱류(calciner), 연질 플라스틱류(calciner), 재생유(kiln & calciner), 요소수의 10개의 정량 요인과 Raw mill의 가동상태를 정성 요인으로 총 11개의 요인을 독립변수로 설정하였다. 또한 종속변수로는 대기배출가스중 NOx와 CO를 특정하여 각 독립변수가 NOx와 CO 배출량에 미치는 영향에 대해 파악하고자 하였다.
본 연구는 시멘트 소성공정에 연료로 사용된 가연성 산업부산물 및 생활폐기물의 사용량와 대기배출가스중 유해성분인 NOx 및 CO 발생량을 비교함으로써 상관관계를 확인하기 위해 실시되었으며, 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.

제안 방법

독립변수로 공정데이터는 1시간 간격으로 측정된 값으로 소성공정에 투입된 원료량(feed), kiln 및 calciner의 온도을 비롯해 유연탄(coal) 및 대체연료 투입량을 사용하였다. 분석기간 유연탄은 러시아산으로 휘발분 32~43%, SO₃ 함량 1.
시멘트 소성공정에 사용된 연료와 배출물질간 상관관계 분석을 위해 국내 A시멘트사 소성설비 4기 중 1기의 2019년 공정 데이터와 대기배출가스 측정값을 비교하였다.
종속변수인 대기배출가스중 유해물질 배출량은 stack에 비분산 적외선법(NDIR, Non-Dispersive Infrared adsorption)을 이용한 측정기를 설치하여 배출가스중 NOx와 CO의 농도를 측정하였다(Table 2). 각 배출가스중 농도 측정값은 stack에 설치된 측정기에서 즉각적으로 측정되어 TMS(Tele Monitoring System)로 연동되어 측정결과가 서버에 실시간으로 표시되며, 측정된 데이터는 5분 간격으로 평균값과 측정값이 서버에 자동 저장되도록 구성되어 있다.

대상 데이터

대체연료는 비닐류와 같은 풍력에 의해 비산되기 쉬운 경량의 연질 플라스틱류(soft plastics)와 폐고무나 PET 등 풍력에 비산되지 않는 성질을 가진 경질 플라스틱류(hard plastics), 액체 성상의 재생유(reclaimed oil)로 구분하여 각각의 투입량 데이터를 사용하였다. 이중 플라스틱류는 kiln에는 사용되지 않고, 오직 calciner에서만 연료로 사용되고 있었다.
이중 플라스틱류는 kiln에는 사용되지 않고, 오직 calciner에서만 연료로 사용되고 있었다. 또한 비선택적 NOx 환원법(SNCR, Selective non-catalytic reduction) 환원제로 요소수(urea) 투입량 데이터를 사용하였다.
분석에 사용된 데이터의 수는 총 4,949개였으며, Fig. 3은 각 배출물질의 측정값을 히스토그램으로 나타낸 것이다.
환경부 배출허용기준에는 HCl, SOx, TSP와 같은 물질의 배출량에 관해서도 규정하고 있으나 데이터의 사전 분석결과 이들 물질의 배출량은 배출허용기준을 만족할 뿐 아니라 극히 적은 수준으로 나타나 본 분석에서는 주요 물질인 NOx와 CO만을 분석대상으로 한정하였다.

데이터처리

데이터의 분석은 통계프로그램 미니탭^ⓡ 반응표면분석(RSM, Response Surface Method)을 이용하였다. 반응표면분석이란 여러 실험 인자들의 수준이 변동할 때 어떤 요인이 반응에 유의한 영향을 주는지, 또 그 영향의 수준이 어떠한지를 확인할 수 있는 분석방법으로, 본 연구에서는 측정된 데이터중 원료량, 온도(kiln & calciner), 유연탄l(kiln & calciner), 경질 플라스틱류(calciner), 연질 플라스틱류(calciner), 재생유(kiln & calciner), 요소수의 10개의 정량 요인과 Raw mill의 가동상태를 정성 요인으로 총 11개의 요인을 독립변수로 설정하였다.

성능/효과

1) 배출물질인 NOx와 CO간에는 NOx가 증가하면 CO는 저감하는 매우 명확한 음의 상관관계가 있는 것으로 확인되었다.
3) CO는 kiln 및 calciner 온도와 경질 및 연질 플라스틱류와 같은 대체연료의 투입량에 강한 영향을 받으며, 특히 NOx 배출량과는 정 반대의 경향을 나타내는 것으로 분석되었다.
4) 본 분석에서 대체연료 사용이 대기배출가스중 유해성분 발생에 미치는 영향에 대해 간략히 정리하면 경질 플라스틱류의 사용량 증가는 NOx 저감, CO 증가를 유발하며, 연질 플라스틱류의 사용 증가는 CO 증가를 유발하는 것으로 분석되었으며, 재생유의 경우에는 NOx 및 CO 배출에 기여하는 바가 명확하지 않았다. 이러한 분석결과는 폐기물 대체연료의 사용이 NOx나 CO와 같은 유해성분 발생을 유발하지 않으며 오히려 긍정적으로 기여할 수 있음을 시사하며, 앞으로 SOx, VOCs(Volatile Organic Compounds)와 같은 오염물질에 대한 확장 분석도 필요하다고 판단된다.

후속연구

또한 raw mill의 가동시 NOx 배출량이 증가하는 것으로 분석되었다, 미국 환경보호국의 조사(EPA 1994)에서도 일부 시멘트 소성 설비에서 유사한 사례가 보고된 바 있지만, 이에 대한 상세한 원인 분석은 실시되지 않았다. 본 사례의 경우에는 raw mill 가동시 gas conditioning tower에 사용하는 물의 양을 낮게 제어함에 따라 수분에 의해 제거되던 NOx의 일부가 stack으로 배출되는 것으로 추정되나 향후 구체적인 원인 파악이 필요하다.
4) 본 분석에서 대체연료 사용이 대기배출가스중 유해성분 발생에 미치는 영향에 대해 간략히 정리하면 경질 플라스틱류의 사용량 증가는 NOx 저감, CO 증가를 유발하며, 연질 플라스틱류의 사용 증가는 CO 증가를 유발하는 것으로 분석되었으며, 재생유의 경우에는 NOx 및 CO 배출에 기여하는 바가 명확하지 않았다. 이러한 분석결과는 폐기물 대체연료의 사용이 NOx나 CO와 같은 유해성분 발생을 유발하지 않으며 오히려 긍정적으로 기여할 수 있음을 시사하며, 앞으로 SOx, VOCs(Volatile Organic Compounds)와 같은 오염물질에 대한 확장 분석도 필요하다고 판단된다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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