[논문]시멘트 클링커 소성공정 대체연료 사용량과 시멘트 품질간 상관관계 연구

최재원; 구경모; 유병노; 차완호; 강봉희

doi:10.14190/jrcr.2021.9.1.75

시멘트 클링커 소성공정 대체연료 사용량과 시멘트 품질간 상관관계 연구
Study on the Correlation between Quality of Cement and Amount of Alternative Fuels used in Clinker Sintering Process 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.9 no.1, 2021년, pp.75 - 84

최재원 (아세아시멘트 기술연구소) , 구경모 (아세아시멘트 기술연구소) , 유병노 (아세아시멘트 기술연구소) , 차완호 (아세아시멘트 기술연구소) , 강봉희 (아세아시멘트)

초록
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본 연구에서는 시멘트 제조공정에서 연료로 사용된 가연성 산업부산물 및 생활폐기물 대체연료 사용량과 시멘트 품질 중에서도 화학성분, 광물조성, 압축강도간의 상관관계를 확인하고자 하였다. 이를 위해 천연연료로서 유연탄, 대체연료로서 연질 플라스틱류(비닐류 등 풍력에 의해 비산되기 쉬운 성질의 플라스틱류), 경질 플라스틱류(이물질이 혼입되거나, 폐고무, PP 등 풍력에 비산되지 않는 성질의 플라스틱류), 재생유를 사용하는 국내 A시멘트 제조사 소성설비의 2017~2019년 3년간의 연료투입량을 독립변수로 하고, 시멘트 품질 데이터를 종속변수로 하여 요인 회귀분석을 이용한 분석을 실시하였다. 분석결과 대체연료의 종류 및 품질에 따라서는 화학성분(염소 및 LSF) 및 광물조성(f-CaO, C3S량)에 유의한 영향을 미치지 않았으며, 시멘트 압축강도를 저하할 것이라는 우려와는 달리 대체연료 사용량과 시멘트 압축강도간에 유의한 양의 상관관계가 성립하는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the correlation between cement quality(chemical composition, mineral composition, and compressive strength) and amount of waste alternative fuels used in the cement manufacturing process and was investigated. Cement manufacturing facility using coal, soft plastics(plastics that are easily scattered by wind power, such as vinyls), hard plastics(plastics that do not contain foreign substances, waste rubber, PP, etc.) and reclaimed oil was analised. Data was collected for 3 years from 2017 to 2019 and let the amount of fuels used as an independent variable and cement quality data as a dependent variable. As a result, depending on the type and quality of the alternative fuel has not a significant effect on the chemical composition(Cl and LSF) and mineral composition(f-CaO, C3S contents). Contrary to the concern that the compressive strength of cement would decrease, there was a significant positive correlation between amount of alternative fuel used and cement compressive strength.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Flow of Air, Materials, Fuels in sintering process
표 Table 1. Specification of Kiln refered in this paper
그림 Fig. 2. Soft plastics(left) and Hard plastics(right)
표 Table 2. Descriptive statistics of quarility of each fuels
표 Table 3. Descriptive statistics of amount of fuel uses, clinker chemistry, mineralogy, and cement quarlity
그림 Fig. 3. Q(calorific value) of each fuels used
그림 Fig. 5. Amount of each fuels used
그림 Fig. 4. Cl contents of each fuels used
그림 Fig. 6. Correlation between amount of each used fuels, and Cl contents of clinker, compressive strength of cement
표 Table 4. Descriptive statistics of quarility of each fuels
그림 Fig. 7. Effect of amount of each fuels on Cl contents
그림 Fig. 9. Effect of amount of each fuels on f-CaO
그림 Fig. 8. Effect of amount of each fuels on LSF
그림 Fig. 10. Effect of amount of each fuels on C₃S
그림 Fig. 11. Effect of amount of each fuels on 1D Str.
그림 Fig. 13. Effect of amount of each fuels on 7D Str.
그림 Fig. 12. Effect of amount of each fuels on 3D Str.
그림 Fig. 14. Effect of amount of each fuels on 28D Str.

AI 본문요약
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문제 정의

완전 요인 설계 분석은 여러개의 독립변수(x)가 종속변수(y)에 미치는 영향을 분석할 필요가 있는 경우 사용되는 회귀 분석방법의 일종이다. 각 독립변수의 2차항 및 교차 항을 회귀분석에 포함하면 보다 완성도높은 예측모델을 만들 수 있으나, 본 분석은 각 독립변수(연료 사용량)이 종속변수(품질) 에 미치는 영향의 상관관계, 즉, 방향성(긍정적 혹은 부정적) 및 수준을 파악하는 것이 목표이기에 각 독립변수의 1차항만을 고려하였다.
데이터를 더 잘 적합시킨다고 판단한다. 결정계수 r²은 2차 항을 분석에 포함시키거나, 반응표면분석법(RSM, Resonsible Surface Methodology)과 같은 방법을 활용해 더욱 완성도 높은 모형을 만들면 향상시킬 수 있으나 본 연구는 각 연료가 시멘트 품질에 미치는 영향의 수준을 파악하는 것이 목적이므로 이런 방법을 사용하지 않았다. 유의 확률 p-값은 0에 가까울수록(일반적으로 유의수준 0.
본 연구는 실제 시멘트 제조공정에서 대체연료 사용량이 시멘트 품질에 미치는 영향을 분석하기 위해 2017∼2019년 3년간의 유연탄 및 대체연료(재생유, 플라스틱류) 사용량과 동기간 생산된 시멘트의 품질을 요인 회귀분석을 이용해 상관관계를 분석한 것으로 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.
본 연구는 실제 시멘트 제조설비에서의 대체연료 사용량과 해당 설비에서 생산된 시멘트의 품질간의 상관관계를 분석하기 위한 것으로, 국내 A사 소성설비를 대상으로 2017∼2019년 3년간의 유연탄 및 대체연료 사용량와 동기간 생산된 시멘트의 품질(압축강도 및 염소 함량)을 비교하였다. Fig.
본고에서는 국내 A시멘트 제조사 소성설비의 2017∼2019년 3 년간 연료로 사용된 가연성 산업부산물 및 생활폐기물의 사용량과 동기간 생산된 시멘트의 품질(화학조성 및 염소함량, 광물조성 및 압축강도) 시험결과를 비교함으로써 이들간의 상관관계를 확인하고자 하였다.

제안 방법

종속변수로서 시멘트의 품질 요인은 화학성분, 광물조성, 압축강도를 사용하였다. 해당 kiln에서 생산된 클링커를 분말도 3, 400± 100cm²/g 수준으로 분쇄하고, KS L 5222에 의거 형광 X선 분석(XRF, Rigaku사 Simultix14 이용)으로 클링커의 화학성분을 확인하였다.
4±1%가 되도록 시멘트를 제조하고, 고로슬래그, 석회석미분말, 플라이애시와 같은 혼합재는 사용하지 않았다. 준비된 시멘트를 KS L ISO 679에 따라 모르타르 압축강도 시험 용공시체를 제작하여 1, 3, 7, 28일 압축강도를 측정하였다.
사용하였다. 해당 kiln에서 생산된 클링커를 분말도 3, 400± 100cm²/g 수준으로 분쇄하고, KS L 5222에 의거 형광 X선 분석(XRF, Rigaku사 Simultix14 이용)으로 클링커의 화학성분을 확인하였다. 단, 클링커중 염소 함량은 KS F 2717 이온 크로마토그래피(IC, Thermo사 AQF-2100H 이용)법으로 측정하였다.

대상 데이터

2017∼2019년 3년간의 데이터 중 비정상치, 이상값 등을 제외한 유효 데이터의 수는 총 340개였다. 이렇듯 데이터의 분량이 방대하여 본문에서는 각 데이터의 주요 통계적 분석결과(평균값(mean), 표준편차(StDev), 변동계수(CoefVar), 최소/최대값(min/Max), 중위수(med) 및 사분위수(Q1, Q3))를 Table 2와 3에 정리하였다.
독립변수로서 연료 사용량은 시멘트 반제품인 클링커당 유연탄 (coal) 및 각 대체연료 투입량(kg-연료/t-클링커)을 사용하였다. 유연탄은 휘발분 30∼45%, SO₃ 함량 0.

데이터처리

각 대체연료의 종류 및 사용량이 클링커 화학성분 및 염소 함량 (LSF, SM, Cl), 광물조성(C₃S, C₂S, f-CaO), 시멘트의 품질(1∼28 일 압축강도)에 미치는 영향에 대한 분석은 Minitab(ver. 18) 프로그램을 사용하여 완전 요인 설계 분석(Analyze Full Factorial Design)법으로 분석하였다. 완전 요인 설계 분석은 여러개의 독립변수(x)가 종속변수(y)에 미치는 영향을 분석할 필요가 있는 경우 사용되는 회귀 분석방법의 일종이다.

이론/모형

단, 클링커중 염소 함량은 KS F 2717 이온 크로마토그래피(IC, Thermo사 AQF-2100H 이용)법으로 측정하였다. 광물조성 분석을 위해 free CaO(f-CaO)는 KS L 5405 부속서 C 에틸렌글리콜법 (ASTM C 25)으로 측정하였으며, alite(C₃S) 및 belite(C₂S) 광물 함량은 XRD(Rigaku사 DMAX 2500)를 이용해 40kV, 250mA 조건, 5∼65°범위에서 측정후, PDXL 소프트웨어(Rigaku사)로 Rietveld 법 WPPF(Whole Powder Pattern Fitting)을 적용하여 정량분석하였다. 시멘트 압축강도 측정을 위해 분쇄된 클링커에 이수 석고 분말을 혼합하여 SO₃ 함량이 2.
해당 kiln에서 생산된 클링커를 분말도 3, 400± 100cm²/g 수준으로 분쇄하고, KS L 5222에 의거 형광 X선 분석(XRF, Rigaku사 Simultix14 이용)으로 클링커의 화학성분을 확인하였다. 단, 클링커중 염소 함량은 KS F 2717 이온 크로마토그래피(IC, Thermo사 AQF-2100H 이용)법으로 측정하였다. 광물조성 분석을 위해 free CaO(f-CaO)는 KS L 5405 부속서 C 에틸렌글리콜법 (ASTM C 25)으로 측정하였으며, alite(C₃S) 및 belite(C₂S) 광물 함량은 XRD(Rigaku사 DMAX 2500)를 이용해 40kV, 250mA 조건, 5∼65°범위에서 측정후, PDXL 소프트웨어(Rigaku사)로 Rietveld 법 WPPF(Whole Powder Pattern Fitting)을 적용하여 정량분석하였다.

성능/효과

1. 클링커의 화학성분 측면에서 재생유는 클링커 염소 함량 및 LSF에 유의한 영향을 미치지만 플라스틱류 폐기물은 클링커의 염소 등 화학성분에 유의한 영향을 미치지 않았다. 재생 유의 염소 함량이 상대적으로 높지는 않지만, 재생유의 발열량 등 품질이 균일하지 않아 재생유 사용량에 큰 편차가 발생하면서 염소 함량에도 큰 차이를 발생시키는 것으로 판단된다.
2. 클링커의 광물조성 측면에서 플라스틱류는 f-CaO 량과 유의한 양의 상관관계를 나타내며, C₃S량과 대체연료 사용량 간에는 유의한 상관관계를 확인할 수 없었다. 대체연료는 탈탄산 반응로인 calciner에서 연료로 사용되었기 때문에 f-CaO 함량을 감소하는데 기여한 반면, C₃S 결정이 생성되는 kiln에서는 대체연료가 사용되지 않음에 따라 나타난 결과로 판단된다.
3. 시멘트 압축강도 측면에서는 1일 강도는 대체연료 사용량 이유의 한 영향을 미치지 않았지만, 재령이 증가할수록 대체 연료 사용량의 영향이 커졌으며, 28일 강도와는 유의한 양의 상관관계를 나타내었다. 대체연료 사용량 증가는 C₃S량에는영향을 미치지 않았지만, f-CaO를 저감하는데 기여하였으며, 이에 따라 시멘트의 안정도 향상을 통해 압축강도에 긍정적인 영향을 유발한 것으로 판단된다.
3.2.2절에서 분석한 것처럼 대체연료는 C₃S량에는 유의한 영향을 미치지 않았지만, 특히 플라스틱류는 f-CaO량와 유의한 음의 상관관계를 나타내었다. f-CaO는 수화반응의 결과로 Ca(OH)₂를 생성하며, 이 과정에서 밀도가 감소(3.
Table 4 및 Fig. 11∼14에서 대체연료의 종류별 사용량이 압축강도에 미치는 영향에 대해 살펴보면, 1일 강도에는 대체연료 사용량이 유의한 영향을 미치지 않지만, 양생기간이 증가할수록 대체 연료 사용량이 미치는 영향이 커지며, 모든 연료 사용량이 28일 강도에 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 특히 Cacliner에 사용된 유연탄 사용량 증가는 모든 재령 압축강도에 부정적인 영향을 미친 반면, 대체연료 사용량 증가는 3일 이후 재령 압축강도에 긍정적인 영향을 미쳤다(Table 4).
Table 4에서 대체연료의 종류별 사용량이 f-CaO 및 C₃S량이미치는 영향에 대해 살펴보면, 경질 및 연질 플라스틱류 사용량 증가는 f-CaO 감소에 유의한 영향을 미치며, C₃S량은 유연탄 사용량에 강한 영향을 받지만 대체연료 사용량과는 유의한 상관관계가 없는 것으로 분석되었다(Fig. 9, 10).
각 연료 사용량 측면에서 평균적인 사용량은 kiln 유연탄(8.59) > calciner 유연탄(6.22) > 경질 플라스틱(6.89) > 재생유(2.54) > 연질 플라스틱(1.57) 순으로 나타났고, 변동계수(CV, coefficient of variation)는 kiln 유연탄(13.56) < calciner 유연탄(21.36) < 경질 플라스틱(25.02) < 연질 플라스틱(59.30) < 재생유(63.53) 순으로 나타났다. 유연탄은 대체연료에 비해 사용량도 많고, 비교적 일정한 사용량이 유지된 반면, 대체연료 중에서도 연질 플라스틱과 재생 유는 사용량도 많지 않고, 상대적으로 편차도 큰 것으로 분석되었다.
한편, 재생 유의 염소 함량의 변동계수는 플라스틱류에 비해서는 작은 것으로 분석되었다. 그러므로 재생유의 염소 함량은 플라스틱 대체연료에 비해 비교적 일정하지만(변동계수가 작지만), 균일하지 못한 재생유의 발열량에 의해 재생유 사용량에도 큰 차이가 발생하면서 클링커 염소 함량을 증가시킨 요인으로 작용한 것으로 판단된다. 한편 플라스틱류 폐기물 사용량은 클링커 화학성분에 유의한 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다.
다만 이들 대체연료 사용량이 클링커 염소 함량에 미치는 영향은 비교적 작아 분석 기간에 염소 함량은 평균 225ppm, 변동계수 29.0%로 변동이 크지 않은 것으로 분석되었으며, 화학성분의 변화는 LSF 1.02, SM 1.74로 매우 작았을 뿐 아니라, 재생유를 제외하면 각 대체연료의 p-값이 0.05 이상으로 클링커 화학성분에 유의한 영향을 미치지 않았던 것으로 분석되었다.
유연탄과 대체연료가 함께 사용되는 calciner에 비해 kiln에는 유연탄만을 연료로 사용했기에 kiln 유연탄의 변동계수가 타 연료에 비해 작고, calciner에는 유연탄과 대체연료가 함께 사용되어 상대적으로 변동계수가 큰 것으로 판단된다. 대체연료 중에서는 연질 플라스틱에 비해 경질 플라스틱과 재생유 사용량의 변동계수가 큰 것으로 분석되었다. Fig.
엄선된 폐기물을 10mm 이하 크기로 충분히 파쇄해 사용하는 유럽과 달리, 국내에서 사용되고 있는 플라스틱류를 비롯한 폐기물 대체연료는 일반적으로 30∼50mm 이상의 것으로 불완전 연소를 유발하기 때문에 kiln에 대체연료를 사용하는 경우가 매우 드물다. 본 분석대상 kiln 역시 대체연료를 calciner에만사용하고 있었으며, 그 결과 대체연료 사용이 C₃S의 생성량에는 유의한 영향을 미치지 않은 것으로 판단된다.
53) 순으로 나타났다. 유연탄은 대체연료에 비해 사용량도 많고, 비교적 일정한 사용량이 유지된 반면, 대체연료 중에서도 연질 플라스틱과 재생 유는 사용량도 많지 않고, 상대적으로 편차도 큰 것으로 분석되었다. 유연탄과 대체연료가 함께 사용되는 calciner에 비해 kiln에는 유연탄만을 연료로 사용했기에 kiln 유연탄의 변동계수가 타 연료에 비해 작고, calciner에는 유연탄과 대체연료가 함께 사용되어 상대적으로 변동계수가 큰 것으로 판단된다.
251 g/cm³)해 부피가 팽창하기 때문에 시멘트 안정도를 저하하며, 그 결과 압축강도에 부정적인 영향을 미친다(Mtarfi 2017). 이러한 일련의 결과로 대체연료시 시멘트 압축강도가 저하될 것이라는 일반적인 우려와 달리 대체연료 사용은 f-CaO 저감에 기여하고, C₃S 생성량에는 영향을 미치지 않으며, 이에 따라 시멘트의 3일 이후 압축강도 향상에 유의한 영향을 유발하였다고 판단된다.
또한 연질 플라스틱은 충분한 수준의 건조, 이물질 제거 작업이 선행되어야 해 수급이 일정하지 않은 단점이 있다. 이를 바탕으로 볼 때 경질 플라스틱은 비교적 높은 발열량을 기대할 수 있는 동시에 염소함량도 낮아 연료로서의 가치가 보다 높아 사용량의 변동계수가 재생유 및 연질 플라스틱에 비해 작은 것으로 판단된다. 특히 대체연료에 함유된 염소 성분은 시멘트 품질 뿐 아니라 제조설비의 막힘, 부식과 같은 영향을 유발할 가능성이 있다(Kwon et al.
11∼14에서 대체연료의 종류별 사용량이 압축강도에 미치는 영향에 대해 살펴보면, 1일 강도에는 대체연료 사용량이 유의한 영향을 미치지 않지만, 양생기간이 증가할수록 대체 연료 사용량이 미치는 영향이 커지며, 모든 연료 사용량이 28일 강도에 유의한 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 특히 Cacliner에 사용된 유연탄 사용량 증가는 모든 재령 압축강도에 부정적인 영향을 미친 반면, 대체연료 사용량 증가는 3일 이후 재령 압축강도에 긍정적인 영향을 미쳤다(Table 4). Kiln에 사용된 유연탄량이 모든 재령 압축강도에 긍정적인 영향을 미치는 것은 3.
그러므로 재생유의 염소 함량은 플라스틱 대체연료에 비해 비교적 일정하지만(변동계수가 작지만), 균일하지 못한 재생유의 발열량에 의해 재생유 사용량에도 큰 차이가 발생하면서 클링커 염소 함량을 증가시킨 요인으로 작용한 것으로 판단된다. 한편 플라스틱류 폐기물 사용량은 클링커 화학성분에 유의한 영향을 미치지 못하는 것으로 분석되었다. 이런 현상은 연질 플라스틱의 경우 염소 함량의 편차가 재생유에 비해 크지만, 재생유보다 사용량 및 사용량의 편차가 작아서 클링커 염소 함량에 미치는 영향이 적게 나타나고, 반대로 경질 플라스틱의 경우 재생유보다 사용량이 2.
76)는 유연탄뿐 아니라 기타 대체연료에 비교해도 매우 큰 편이다. 한편, 재생 유의 염소 함량의 변동계수는 플라스틱류에 비해서는 작은 것으로 분석되었다. 그러므로 재생유의 염소 함량은 플라스틱 대체연료에 비해 비교적 일정하지만(변동계수가 작지만), 균일하지 못한 재생유의 발열량에 의해 재생유 사용량에도 큰 차이가 발생하면서 클링커 염소 함량을 증가시킨 요인으로 작용한 것으로 판단된다.

후속연구

결국 대체연료의 염소 함량이나 절대적인 사용량의 많고 적음보다는 발열량이 일정한 대체연료를 일정하게 사용해 사용량의 편차를 적게 함으로써 클링커 염소 함량, 화학성분에 미치는 영향을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
로드맵을 발표하기에 이르렀다. 이렇듯 전세계적으로 폐기물 대체 연료 사용이 시멘트 산업의 탄소중립 달성에 중요한 수단으로 인식되고 있어 앞으로 시멘트 산업에서는 보다 많은 대체 연료를 사용해 유연탄의 사용을 저감하기 위한 기술이 계속해서 개발될 것으로 전망된다.

참고문헌 (15)

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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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