철강 및 시멘트 산업의 제조 공정 특성과 환경 규제 및 탄소 배출 대응 과제 doc_id PCY_201702070339317151_8

철강산업은 2000년대 중반 이후 신제품 생산과 설비확장을 위한 신증설투자를 추진했으나 2013년 현대제철의 3고로 투자가 마무리되면서 대규모 신증설 투자가 종료되고 다른 목적의 투자가 늘어나고 있다. 설비과잉압력이 높아 앞으로는 설비확장보다는 유지보수 및 자동화‧생력화를 위한 투자가 점차 늘어날 것으로 보이고, 생산구조 고도화를 위한 연구개발투자 비중이 늘어날 것으로 예상된다. 철강업체들은 1990~2000년대에 대규모의 환경오염 방지 시설 및 에너지이용 효율화 투자를 추진했다. 그러나 2000년대 후반 들어 현대제철 고로 진입 등 설비신증설 투자가 크게 늘어나면서 에너지 및 환경투자 비중이 상대적으로 낮아지기도 했다. 반면 환경설비 운영 및 관리를 위한 비용이 점차 늘어나면서 제도 순응 비용이 기업들의 부담으로 작용하기도 한다. 특히 금융위기 이후 철강업체들의 수익성이 크게 낮아진 시점에서는 한계수익까지 위협하는 수준까지 늘어나기도 했다. 시멘트산업은 주원료인 석회석으로부터 시멘트를 제조하는 산업으로, 석회질원료, 점토질원료, 규산질원료, 산화철원료를 혼합·분쇄한 조합원료를 소성로에서 1,450℃로 가열 후 급속냉각하여 클링커를 중간재로 생산한다. 클링커에 응결지연을 위한 석고를 4~5% 비율로 혼합하여 미분쇄한 제품이 포틀랜드시멘트이다. 시멘트는 통상적으로 시멘트라 불리우는 보통포틀랜드시멘트와 혼합시멘트의 주종인 슬래그시멘트로 크게 구분된다. 슬래그시멘트는 제철소에서 발생하는 부산물인 용융슬래그를 냉각시킨 후 미분쇄하여 포틀랜드시멘트와 혼합한 시멘트로, 전체시멘트의 약 20% 정도에 해당한다. 시멘트산업은 석유화학, 철강산업과 더불어 국가산업발전의 기초가 되는 대표적인 소재산업의 하나이며, 건설업의 후방산업으로 주택, 공장, 도로, 항만 등의 사회간접자본 건설에 필요한 자재를 공급하는 역할을 한다. 아울러 시멘트산업은 대규모 설비투자가 이루어지는 자본집약적인 산업이다. 시멘트산업은 기본적으로 건설·토목경기에 큰 영향을 받아 수급량이 변화하는 산업이며, 큰 부피와 중량으로 인해 수출·수입은 초과수요·공급시 미미한 물량조절 역할을 수행하는 정도이다. 이에 따라 경기변동에 따른 하방리스크가 교역 비중이 낮아 국내 경기변동의 영향을 직접적으로 받는다. 동시에 거대 장치 산업이면서 주요 공정장치인 소성로는 24시간 가동해야 하는 특성이 있어, 생산량 변화의 유연성이 작은 산업이다. 한편으로는 시멘트는 건설소재로서의 경쟁력 강화 및 ETS와 친환경구조로의 전환이 주요 과제로 지적된다. 경제성 향상을 위해 크게 생산 및 유통단계, 설계단계, 유지관리에서의 비용감소 방안이 강조되고 있다. 또한, 고강도, 유동화, 경량화 등 고기술의 콘크리트 제조기술 확보 및 혼합재에 대한 연구개발을 통해 비용절감과 강구조물 대비 경쟁력 확보를 추구하고 있다. 시멘트 산업은 제조업에서 철강, 석유화학과 함께 온실가스배출량이 높은 산업으로, 석회석에서 클링커를 생산하는 과정에서 배출되는 공정배출이 전체 배출의 60%에 달해 환경규제의 영향을 매우 크게 받는 업종이지만 저감 여력이 높지 않다. 이는 클링커 생산에서 석회석에서 이산화탄소를 분리시키는 과정이 주요공정이므로 기술개발 및 기기효율화 등의 방법을 통해 배출가스를 저감할 수 있는 여지가 적다는 의미이다. 그 외에는 경제성에 대한 불확실성, 환경오염물질이라는 인식 등 대중들의 인식이 부정적인 면도 시멘트산업의 지속성장을 위해 개선이 필요한 사안이다. 관련하여 유럽 시멘트협회는 시멘트산업 온실가스 배출량 저감을 위한 5가지 병행방안을 제시하고 있다. 내용적으로는 우리나라의 시멘트 업계에서 추진하는 탄소저감 방안과 크게 다르지 않은데, 이는 시멘트가 제품 및 생산 기술의 차별화 정도가 높지 않은 산업이기 때문인 것으로 판단된다. 시멘트 제조공정은 크게 원료공정, 소성공정, 제품화공정으로 나눌 수 있다. 원료공정은 광산에서 채굴․파쇄된 원석인 석회질, 점토질, 규산질, 산화철 원료(광물)을 채광하여 공장으로 이송후 원료밀에서 이들을 혼합·분쇄하여 조합원료를 만드는 과정이다. 소성공정은 조합원료를 사이클론 예열기 및 소성로에 통과시키면서 가열하여 석회석의 탈탄산작용을 거치고 이를 냉각시켜 클링커를 만들고 저장하는 공정이다. 제품화공정은 급냉된 클링커를 응결지연제인 석고와 일정비율로 혼합하고, 시멘트밀에서 미분쇄하여 최종제품인 시멘트를 생산하여 출하하는 공정이다. 이를 세부공정으로 살펴보면 원료 혼합 및 분쇄, 예열 및 소성, 냉각, 클링커 분쇄 및 혼합재 혼합, 포장 및 출하로 구분 가능하다. 원료 혼합 및 분쇄 공정은 광산에서 채석한 석회석, 점토, 규석, 산화철 원료 등을 혼합한 후 원료밀에서 미분쇄(30mm 이하)하고 건조하는 공정이다. 원료밀은 대표적 전기집약적 설비이므로 간접배출이 발생하고, 원료 건조를 위해 쓰이는 열풍은 소성로에서 방출되는 폐열을 이용한다. 예열 및 소성공정은 사이클론 예열기를 이용하여 소성로 투입 전 원료를 850~900℃까지 예열하여 열효율을 높이고, 소성로 투입 후 1,450℃까지 가열하여 시멘트 반제품인 클링커를 생산하는 공정으로 연료사용의 대부분을 차지하는 공정이다. 사이클론 예열기에서의 예열은 주로 소성로의 폐열을 이용하고, 소성로에서는 원료의 소성을 위해 유연탄, B-C유, 석유코크스 등의 화석연료와 폐합성수지, 폐타이어, 재생유, 폐목재 등의 대체연료를 다량 연소하므로 이 과정에서 주로 직접배출이 발생한다. 시멘트산업의 배출량중 약 60%로 가장 많은 비중을 차지하는 공정배출은 예열기와 소성로에서 원료의 석회석 탈탄산반응으로 인해 발생한다. 소성로에 연료공급을 위해 유연탄을 분쇄·건조하는 콜밀(coal mill)에서는 전력사용으로 인한 간접배출 발생한다. 냉각공정은 소성로내에서 최고 1,500℃까지 가열된 클링커를 쿨러를 통해 100℃ 이하로 냉각하는 공정이다. 클링커 쿨러 및 기타 설비 구동을 위한 전력사용으로 인해 간접배출이 발생한다. 클링커 분쇄 및 혼합 공정은 수분에 취약한 클링커의 단점을 보완하고자 3~5% 수준의 석고를 혼입한 후 시멘트밀로 분쇄(입경 3~30μm)하여 분말 형태의 시멘트를 제조하는 공정이다. 시멘트밀은 대표적 전기집약적 설비이고 기타 설비 구동 위한 전력사용으로 간접배출이 발생한다. 제품화공정은 최종 제품인 시멘트를 벌크·포장·출하하는 공정이다. 기타 설비 구동을 위한 전력사용과 운송장비 이용으로 인한 간접배출과 이동배출이 발생한다. 시멘트산업의 2014년 에너지사용과 온실가스 발생은 각각 464만 TOE, 1,803만 CO2톤으로 제조업 전체의 3.6%, 5.0%를 점한다. 제조업내 에너지 사용에 비해 온실가스 배출비중이 높은 것은 앞에서 설명한 바와 같이 시멘트 제조과정의 기본공정이 석회석의 탈탄산 공정이 포함되기 때문이다.