1. 서    론

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.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. 포졸란계 혼화재를 치환한 CO₂ 배출 저감연구로 콘크리트에 사용되는 바인더의 단위 CO₂ 배출인자를 보통포틀랜드시멘트(ordinary portland cement; OPC) 0.82, 플라이애쉬(Pulverised fuel ash; PFA) 0.027, 고로슬래그(ground granulated blast-furnace slag; GGBS) 0.143(t CO₂-e/tonne)으로 산정하여, 콘크리트의 동일한 강도 발현 시 사용되는 바인더의 치환에 따른 CO₂ 배출량은 플라이애쉬 13～15%, 고로슬래그 22%의 감소효과를 볼 수 있으며, 경제성까지 뛰어나 환경성, 경제성, 그리고 일부 문제점이 있긴 하지만 공학적 우수성까지 확보할 수 있는 수단이다.3,4) 또한 플라이애쉬를 사용할 경우 대체율 20%일 때 약 15% 정도의 CO₂ 배출 저감효과를 볼 수 있으며, 고로슬래그 미분말을 비롯한 제강슬래그의 활용에 따라서도 상당한 CO₂ 배출 저감효과를 비롯하여 공학적 우수성이 이미 수많은 연구를 통해 이루어졌다. 그리고 폐기물의 재활용을 통한 CO₂ 배출 저감연구는 미미한 수준이나 자원의 재활용의 관점에서 전방위적으로 이루어지고 있다.5-8) 콘크리트의 탄산화에 따른 CO₂ 재흡수에 대한 연구로는 “CO₂ 배출 보상”이라는 관점에서 시멘트 생산에 따른 CO₂ 배출량이 콘크리트 구조물이 건설된 이후에는 대기 중의 CO₂와의 화학반응을 통해 탄산화가 되고 이 과정에서 CO₂가 소모되어 CO₂ 배출이 보상을 이루는 것으로서 다만 CO₂ 배출과 탄산화에 의한 콘크리트 구조물의 열화가능성에 대해서는 적정점을 찾아야 할 듯하다.9) 결론적으로 현재 우리나라에서 진행 중인 콘크리트의 CO₂배출저감에 관한 연구는 주로 혼화재의 사용을 늘려 시멘트의 사용을 억제하는데 국한되어 있다고 볼 수 있다.

현재 국내 시멘트 산업에서 차지하는 CO₂ 배출량은 시멘트사 별로 시멘트 원료 및 에너지원에 따라 차이가 있다.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 제조 시 발생되는 단위 CO₂ 배출량 역시 인도 0.93, 미국 0.89, 중국 0.88kg-CO₂/kg으로 차이를 보인다.13)

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 제조 시 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.

2. 실    험

2.1 CO₂ 배출 메커니즘

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.

또한 킬른 온도를 일정하게 유지하기 위한 연료의 연소와 분쇄설비와 같은 설비에서의 전력 사용으로 인하여 CO₂가 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.

2.2 CO₂ 배출량 산정

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. CO₂ 배출량은 국내 6개사의 CaO 함유량을 바탕으로 산정하였다.

Table 1은 KS L 5120(포틀랜드시멘트의 화학분석 방법)에 따른 국내 6개사 OPC의 화학적 조성을 나타낸 것으로서 회사별 CaO 함유량은 60.2～63.1%로 나타났다. 시멘트 중의 CaO 함유량은 시멘트 생산에서의 CO₂ 배출 기원에 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.

Table 2는 탈탄산에서의 석회석 투입량에 대한 CaO 생성량을 나타낸 것으로 전체적으로 석회석이 CaO로 100% 생성되지 않고 손실됨을 알 수 있다. 따라서 CaCO3의 투입량과 CaO의 생성률은 직접적인 관련성이 없으며 제조공정 및 설비에 따라 다르다고 판단된다.

2.3 압축강도

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(50×50×50mm)를 제작하였다. 시멘트 : 물 : 잔골재의 비는 중량기준 0.40 : 1.00 : 2.45로 하였으며 7, 28, 56일에 측정하였다.

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. OPC 및 산업부산물인 GGBS, PFA의 CaO 함유량, 단위 CO₂ 배출량, 가격을 Table 3에 나타내었다. 여기서 OPC의 CaO 함유량, 단위 CO₂ 배출량, 가격은 이 연구에서 수행한 전체 OPC의 평균값을 나타내었다. 또한 GGBS, PFA의 단위 CO₂ 배출량은 정제하는 과정에서 사용되는 연료 및 에너지 사용에 따른 CO₂ 배출량이다.

3. 실험 결과

시멘트 제조 시 투입되는 원연료 및 전기 사용량을 바탕으로 시멘트 1톤 제조 시 발생되는 CO₂ 배출량을 Fig. 1에 나타내었다. 회사별로 729～911kg-CO₂가 발생되며, 6개사 평균은 822kg-CO₂로 나타났으며, OPC별 CO₂ 배출인자로는 킬른 내에서 석회석의 탈탄산에 따른 CO₂ 배출량이 평균 579kg-CO₂로 전체 CO₂ 배출량의 67.5%를 차지하였다. 또한 킬른 온도를 일정하게 유지하기 위한 화석연료의 연소에 따른 CO₂ 배출량이 195kg-CO₂로 전체 CO₂ 배출량의 26.7%, 설비에서의 전력 사용에 따른 CO₂배출량이 47kg-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.

Fig. 2는 시멘트 생산에 따른 각 OPC별 비용조사를 분석한 것으로 시멘트 소성 공정에서의 CO₂ 배출주요 요인인 원료 부문에서의 CaO, 설비 및 연료 부문에서의 전력, 화석연료에 대한 가격 구성률은 각각 CaO 20%, 전력 35%, 화석연료 45% 정도로 나타났다. 원료 부문을 제외한 킬른 온도 유지를 위한 연료와 설비에서 사용되는 전력은 현재 대체 연료로서 기존 연료를 폐기물로 대체하는 방안이 있으나 실제 사용량은 미미한 수준이다.

Fig. 3은 시멘트 제조 시 발생되는 CO₂ 배출량의 원인을 파악하기 위해 시멘트 중의 CaO 함유량에 대한 CO₂ 배출량을 나타내었다. 6개 사의 시멘트 중의 CaO 함유량은 60.2～63.1%로 측정되었으며, 각각의 시멘트 중의 CaO 함유량에 대한 CO₂ 배출량은 729～911kg-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.

Fig. 4는 시멘트 제조 시의 CaO 손실률에 대한 CO₂ 배출량을 나타낸 것이다. CaO 손실률이 23.62～8.69%로 감소할수록 CO₂ 배출량은 911kg-CO₂에서 729kg-CO₂로 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 3과 4를 바탕으로 시멘트 제조 시 투입재료에 비해, 손실되는 원재료로 인해 추가적인 소성과정을 거치게 되므로 이로 인해 발생하는 CO₂ 배출이 영향성이 높음을 알 수 있다. 킬른 내에서 석회석의 탈탄산에 따른 CO₂ 배출량은 시멘트 제조 시 발생되는 전체 CO₂ 배출량의 67.5%를 차지한다. CaO의 손실률을 23.62%에서 8.69%로 14.9%를 줄인다면 탈탄산화에 따른 CO₂ 배출량을 120kg-CO₂ 정도 줄일 수 있으며 이를 환산화하면 18.5% 줄일 수 있다. 또한 시멘트 제조 공정에서 발생되는 전체 CO₂ 배출량의 13.1% 감소시킬 수 있다.

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.

Fig. 6은 시멘트 제조 시 화석연료 사용량에 대한 CO₂ 배출량을 나타내었다. 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 97kg에서 68kg으로 감소됨에 따라서 CO₂ 배출량 역시 224kg-CO₂에서 157kg-CO₂로 감소되는 것으로 나타났다. 킬른 온도를 일정하게 유지하기 위한 화석연료의 연소에 따른 CO₂ 배출량은 전체 CO₂ 배출량의 26.7%를 차지한다. 이를 시멘트 제조 공정에서 발생되는 전체 CO₂로 환산하면 배출량의 7.4%를 감소시킬 수 있다.

Fig. 7은 CO₂ 배출량과 모르타르의 압축강도 측정 결과를 나타내었다. CO₂ 배출량 증가에 따른 모르타르의 강도는 일관성이 부족하므로 시멘트 제조 시의 CO₂ 배출은 강도와는 무관한 것으로 판단된다.

Fig. 8은 시멘트의 CaO 함유량과 모르타르의 압축강도 측정 결과를 나타내었다. 시멘트의 CaO 함유량에 따라 압축강도는 크게 변하지 않았으나 약간의 강도 증가효과는 있었다. 즉 시멘트 내에서 CaO의 함유량은 압축강도 및 CO₂ 배출에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 기존의 가설처럼 CaO를 다량 함유 할 경우, 강도증진효과는 있으나 CO₂ 배출량이 증가하므로 이에 대한 최적의 선택은 잘못된 것으로 보인다. 오히려 CaO 생성에 있어 킬른에서 소모되는 화석연료의 에너지 효율이나, 원재료 관리를 통한 석회석 처리 등이 강도증진, CO₂ 발생에 효과적인 방법이라 할 수 있다.

Fig. 9는 포졸란계 혼화재의 사용에 따른 압축강도와 CO₂ 배출량과의 관계를 나타내었다. 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. 그러나 경제적인 측면에서 30% PFA가 가장 우수하였으나 이는 정제과정 및 혼입률에 따라 크게 변할 것으로 예상되며 기본적으로 OPC와 비교해서 경제적일 것으로 판단된다.

4. 결    론

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.

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.

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.

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.