KR20190094680A - 시멘트 생산 공정에서의 불소함유 가스 원료 사용에 따른 온실가스 배출량 관리 시스템 - Google Patents

시멘트 생산 공정에서의 불소함유 가스 원료 사용에 따른 온실가스 배출량 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트 킬른 시스템에서의 온실가스 배출량 관리 시스템에 있어서, 상기 시멘트 킬른 시스템의 운전 계획, 일별/월별/연도별 불소함유 가스 구입량 및 주입량, 계측기기 정보 및 측정 분석 관리 정보를 입력받는 데이터 입력모듈; 상기 시멘트 킬른 시스템에서, 미리 분해된 불소함유 가스와 생석회(CaO)가 반응하여 불소 고정화 프로세스를 진행하면서, 실시간으로 계측기기로부터 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시스템의 온도; 및 반응물의 온도 계측값을 수신 및 관리하는 관리 모듈; 상기 관리 모듈에서, 입력된 계측값에 기초하여 온실가스 배출량 산정방식을 이용하여 상기 불소함유 가스의 배출량을 산출하는 온실가스 배출량 산출모듈; 및 상기 불소함유 가스의 배출량에 따라 불소함유 가스의 온도, 시스템의 온도 또는 반응물의 온도를 제어하는 제어 모듈을 포함한다.

Description

시멘트 생산 공정에서의 불소함유 가스 원료 사용에 따른 온실가스 배출량 관리 시스템{Greenhouse gas emission management system according to using fluorine-containing gas raw materials in cement production process}
본 발명은 시멘트 생산 공정에서의 불소함유 가스 원료 사용에 따른 온실가스 배출량 관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시멘트 킬른 시스템에서의 불소함유 가스 원료 사용에 따른 온실가스 배출량 관리 시스템에 관한 것이다.
국내 배출권거래제에서의 온실가스 배출량의 산정 및 보고인증 등에 관한 사항은 「온실가스 배출권거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침」(이하 “온실가스 배출량 보고 및 인증 지침”이라 한다)에서 정한 원칙 및 절차 등을 따르도록 하고 있다. 「온실가스 배출량 보고 및 인증 지침」제11조(배출량 등의 산정방법 및 적용기준)에 따르면, 세부적인 온실가스 배출량 등의 산정방법 및 매개변수 별 관리기준은 ‘별표6’에 따르며, 세부적인 온실가스 배출량 등의 산정방법이 제시되지 않은 온실가스 배출활동은 할당대상업체가 자체적으로 산정방법을 개발하여 온실가스 배출량을 산정하도록 하고 있다.
시멘트 생산공정에서 부원료 제조를 위해 원료로서 투입되는 SF6는 높은 GWP를 가지는 온실가스 물질로서 국가 배출량 및 배출권거래제 산정보고관리 대상 물질이다. SF6는 소성시설(Kiln)내에서 SF6 주입, 플라즈마 분해(S, F), 시멘트 부원료 고정화(CaSO4, CaF2) 등의 연속반응공정을 거쳐 최종적으로 제품(시멘트)으로 고정화되는데, SF6가 미분해 또는 미고정화된 경우에 온실가스(SF6)가 배출될 가능성이 존재한다. 따라서 시멘트 소성설비에서 시멘트 부원료를 제조하면서 동시에 SF6를 처리하는 공정에 있어서, 온실가스(SF6) 배출량의 산정방법이 필요하다. 그러나, 현재, 「온실가스 배출량 보고 및 인증 지침」에서는 시멘트 생산 공정에서 SF6 원료 이용에 따른 온실가스 배출량 산정식이 제시되지 않고 있다.
이에 본 발명은 시멘트 킬른 시스템에서의 불소함유 가스(SF6) 원료 이용에 대한 공정 분석, 배출량 산정 방법 분석을 통해 온실가스 배출량 산정방법론을 제공하고, 이에 제시된 모니터링 항목에 대한 지속적, 체계적인 모니터링을 통해 온실가스 배출량 관리를 하는 시스템을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시멘트 킬른 시스템의 운전 계획, 일별/월별/연도별 불소함유 가스 구입량 및 주입량, 계측기기 정보 및 측정 분석 관리 정보를 입력받는 데이터 입력모듈; 상기 시멘트 킬른 시스템에서, 미리 분해된 불소함유 가스와 생석회(CaO)가 반응하여 불소 고정화 프로세스를 진행하면서, 실시간으로 계측기기로부터 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시스템 온도; 및 반응물 온도 계측값을 수신 및 관리하는 관리 모듈; 상기 관리 모듈에서, 입력된 계측값에 기초하여 온실가스 배출량 산정방식을 이용하여 상기 불소함유 가스의 배출량을 산출하는 온실가스 배출량 산출모듈; 및 상기 불소함유 가스의 배출량에 따라 불소함유 가스의 온도, 시스템의 온도 또는 반응물의 온도를 제어하는 제어 모듈을 포함하는 시멘트 킬른 시스템에서의 온실가스 배출량 관리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 온실가스 배출량 산정방식은 입력된 불소함유 가스 주입량에서 시멘트 킬른에서 배출되는 불소함유 가스의 양을 차감한 수치를 불소함유 가스가 시멘트 킬른에서의 CaO에 고정된 양으로 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 불소함유 가스는 SF6를 포함하며, 고온 소성로에서 상기 SF6는 미리 분해되어 상기 CaO와 하기 반응식으로 고정된다.
(1) 2CaO + 2SO4 → 2CaSO4 + O2
(2) CaO + 2HF → CaF2 + H2O
본 발명의 일 실시예에서, 상기 온실가스 배출량 산정방식은 하기 식으로 표시된다.
Ei = Qi x (1 - DRi)
상기 식에서 Ei는 SF6(i)의 온실가스 배출량(tGHG)이고, Qi는 SF6(i)의 소비량(ton)이고,
DRi는 소비된 SF6(i)의 분해율(고정화율)로서 0에서 1 사이의 소수이고, DRi = (Qi - Ri)/Qi에 의해 산정되고, Qi는 SF6(i)의 소비량(ton)이고, Ri는 배출구를 통해 배출되는 SF6(i)의 양(ton)이다.
상기 식에서, i는 불소함유가스, 즉 SF6를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 시멘트 킬른에서, 주입되는 SF6는 열분해된 후 상기 CaO와 반응하여 고정화된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열분해는 시멘트 소성과정에서 발생하는 1,000℃ 이상의 열원을 공급하여 진행된다.
본 발명의 일 실시예에서, 플라즈마 발생부에서 열에너지가 추가적으로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 CaO의 온도는 700~2,000 ℃, 불소함유 가스의 온도는 1,000~5,000 ℃로 조절된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 산정된 온실가스 배출량을 포함하는 온실 가스 배출 실태 보고서를 생성하여 온라인으로 보고하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 실시간으로 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시스템의 온도; 반응물의 온도; 및 온실가스 배출량을 가시화하는 표시모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 시멘트 소성설비에서 시멘트 부원료를 제조하면서 동시에 불소함유 가스를 처리하는 공정을 진행함에 있어서, 온실가스 배출량의 산정을 통한 지속적이고 체계적인 온실가스 배출량의 관리가 가능하다.
본 발명의 온실가스 배출량 관리 시스템이 상용화 및 안정화 될 경우 전국에서 발생되는 SF6를 수급하여 시멘트 생산공정에 활용하여 F2, HF, SOx 등의 발생이 전혀 없이 환경 친화적으로 자원 순환 및 자원 회수가 이루어질 수 있다.
본 발명은 온실가스 배출량의 지속적이고 체계적인 저감을 통해 지속적인 탄소배출권의 획득을 가능하게 할 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 온실가스 배출량 관리 시스템을 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 온실가스 배출량 관리 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 3은 시멘트 생산의 전체 공정의 흐름도이다.
도 4 및 도 5는 시멘트 소성 공정을 모식적으로 설명한 것이다.
이하, 본 발명의 온실가스 배출량 관리 시스템에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 온실가스 배출량 관리 시스템을 도시한 도면이다.
도 1를 참고하면, 본 발명의 시스템은 시멘트 킬른 시스템(20)의 운전 계획, 일별/월별/연도별 불소함유 가스(SF6) 구입량 및 주입량, 계측기기 정보 및 측정 분석 관리 정보를 입력받는 데이터 입력모듈(11), 시멘트 킬른 시스템(20)에서, 미리 분해된 불소함유 가스(SF6)와 생석회(CaO)가 반응하여 불소 고정화 프로세스를 진행하면서, 실시간으로 계측기기로부터 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시스템의 온도; 및 반응물의 온도 계측값을 수신 및 관리하는 관리 모듈(12), 상기 관리 모듈(12)에서, 입력된 계측값에 기초하여 온실가스 배출량 산정방식을 이용하여 상기 불소함유 가스(SF6)의 배출량을 산출하는 온실가스 배출량 산출모듈(13), 및 상기 불소함유 가스(SF6)의 배출량에 따라 불소함유 가스의 온도, 시스템의 온도 또는 반응물의 온도를 제어하는 제어 모듈(14) 등을 포함한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 온실가스 배출량 관리 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
먼저, 운영 및 관리계획 수립단계에서, 시멘트 킬른 시스템 운전 계획, 일별/월별/연도별 SF6 구입량 및 주입량, 계측기기 정보 및 측정 분석 관리 정보를 데이터 입력모듈에 입력한다. 시멘트 킬른(kiln)은 적당한 비율로 혼합되어 분쇄된 시멘트 원료를 소성하는 가마를 말한다. 온실가스 배출권거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침 제11조에 의하면, 할당대상업체는 배출활동의 개요, 보고대상 배출시설, 보고대상 온실가스, 배출량 산정방법론, 매개변수별 관리기준 등이 포함한 모니터링 계획을 제출하여야 하므로, 이를 위해 시멘트 킬른 시스템 운전 계획, 일별/월별/연도별 SF6 구입량 및 주입량, 계측기기 정보 및 측정 분석 관리 정보를 데이터 입력모듈에 입력한다.
본 발명에서 보고대상 온실가스는 불소계 온실가스로서 구체적으로, HFCs, PFCs, SF6 등이다. 불소계 온실가스는 화학 산업이나 전기 산업 등에서 제품 생산 공정 중에 사용되기도 하지만 생산된 설비의 충진물 등 다양한 용도로 소비된다. 특히, SF6는 주로 중전기기 산업과 전기 및 전자산업에서 필요(소비)하며, SF6는 당장 대체 품목이 없으므로 지속적인 수요가 있을 것으로 전망된다. SF6 가격은 하락 추세에 있으므로 회수 및 정제하여 폐기된 SF6 가스를 재사용하는 사업은 경쟁력이 약화됨과 동시에 SF6의 사용량은 증가될 전망이다.
그 다음, SF6처리/고정화 프로세스 운영 단계에서, 플라즈마 발생 HF 가스와 시멘트 공정 소성로 내에서 미리 분해된 SF6를 반응물질인 생석회(CaO)와 화학반응시켜 시멘트 공정에서의 유용한 물질인 CaF2(광화제) 및 CaSO4(지연제)로 고정화시킨다. 도 4 및 도 5는 시멘트 소성 공정을 모식적으로 설명한 것이다. 이때, 실시간으로 계측기기로부터 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시멘트 킬른의 온도; 및 반응물의 온도 계측값이 수신되고 관리모듈에 입력된다.
본 발명의 일 실시예에서, 시멘트 소성공정을 진행하는 과정 중에 SF6 및 수소원을 주입할 수 있도록 예열기 시스템, 회전형 가마, 또는 냉각기를 개량하여 시멘트 소성과정에서 발생하는 열로 SF6를 분해하고, 분해된 S와 F를 클링커 합성을 위한 재료로 사용할 수 있게 하여, 대용량의 SF6를 원료로서 이용하였다.
SF6를 미리 열분해하여 HF로 전환시키기 위한 열원으로 시멘트 소성과정에서 발생하는 1,000℃ 이상의 열원을 사용한다. 또한, 추가적으로 플라즈마 발생부를 통해 열에너지를 추가적으로 공급할 수 있다.
SF6가 원료로 투입되면 플라즈마에 의해 황(S)원과 불소(F)원으로 열분해되고, 이는 시멘트 소성로에 존재하는 CaO와 반응하여 황산칼슘(CaSO4) 및 불화칼슘(CaF2)으로 고정화된다(도 4 및 도 5 참조).
SF6 열분해를 통한 황(S)은 과잉공기에 포함된 산소와 결합하여 SO4(술폰기)를 만들고, SO4는 CaO(생석회)와 반응하여 CaSO4가 생성되고 여기에 활성 재료와 화학 혼화제 등을 배합하여 미분말로 만들면 시멘트가 된다.
S + 2O2 → SO4
2CaO + 2SO4 → 2CaSO4 + O2
SF6 열분해를 통한 불소(F)의 경우 다른 물질을 부식시키는 작용을 할 수 있으므로 수소원(H2O, H2 등)의 공급이 필요하며, 이들 수소원이 포함하고 있는 수소 원자는 F와 반응하여 비교적 쉽게 변환이 되는 HF를 만들게 되고, CaO(생석회)와 반응하여 다음의 화학반응을 유도한다.
H2 + F2 → 2HF
CaO + 2HF → CaF2 + H2O + heat
CaSO4는 석고라고도 하며, 시멘트의 수화 작용을 촉진하는 혼화제로 사용될 수 있다. CaF2는 시멘트 클링커의 제조단계에서 소성온도를 낮추는 역할을 한다. 고정화로 생성된 CaF2에 의해 석회석 탈탄산 시 소성온도를 약 100~200 ℃ 낮출 수 있으므로 에너지 절감효과가 있다. 따라서, 고정화로 생성된 CaF2는 시멘트 생산공정 중 가장 많은 에너지 소비를 차지하는 클링커 소성공정에 있어서 필수적이다.
시멘트 킬른 내에는 SF6로부터 분해된 S와 F를 고정화시킬 수 있는 소재, 생석회(CaO)는 다량 함유되어 있으며, 소성 후 유리석회(f-CaO)는 약 2% 이하로 존재함이 바람직하다
반응물 원료인 생석회(CaO) 온도는 700~2,000 ℃, 불소함유 가스의 온도는 1,000~5,000 ℃로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 범위내인 경우 100% CaF2와 CaSO4로 영구 고정화가 가능하고, 별도의 처리과정 없이 시멘트를 생산할 수 있다.
상기 관리모듈에서 입력된 계측값에 기초하여 온실가스 배출량이 산정된다.
본 발명자들은 온실가스 배출량의 산정방식으로 온실가스 저감 기술이 적용된 유사방법론에서 제시된 분해율(저감계수) 산정 방식의 준용 가능성을 검토하였다. 그 결과 미처리된 공정가스 배출량은 미분해(미고정화)된 SF6 배출량인 것으로 볼 수 있음을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 온실가스 배출량 산정방식은 하기 식으로 표시된다.
Ei = Qi x (1 - DRi)
상기 식에서 Ei는 SF6(i)의 온실가스 배출량(tGHG)이고, Qi는 SF6(i)의 소비량(ton)이고,
DRi는 소비된 SF6(i)의 분해율(고정화율)로서 0에서 1 사이의 소수이고, DRi = (Qi - Ri)/Qi에 의해 산정되고, Qi는 SF6(i)의 소비량(ton)이고, Ri는 배출구를 통해 배출되는 SF6(i)의 양(ton)이다.
상기 온실가스 배출량 산정식의 활동자료의 매개변수 Qi은 공정에 투입되어 소비된 SF6의 양을 측정한 값이다. 배출계수(고정화(분배)율의 매개변수 DRi은 소비된 SF6가 대기로 배출되지 않고 고정화(분해)된 비율이다. SF6의 소비량(Qi)은 킬른에 투입되기 직전에 측정한다. 시멘트 생산공정에서 원료 이용후 배출되는 SF6 양(Ri)은 SF6가 킬른의 배출구에서 배출된 직후에 측정한다.
상기 온실가스 배출량 산정식은 공정(배출시설)에 투입되어 소비되거나, 저감시스템을 통한 분해(파괴) 처리되는 경우 1-분해율의 개념을 적용한 것으로, 본 발명의 공정의 경우 SF6를 부원료로 이용하기 위해 고온열원(플라즈마)를 이용해 1차적으로 SF6를 분해하고, 부원료로 고정화(CaSO4, CaF2)하는 개념으로 유사방법론의 저감시스템 적용 개념과 유사하다. 따라서 저감시스템을 통한 분해(파괴) 처리 경우 적용되는 분해율(분해계수) 산정 방식을 준용하였다. 파괴율(또는 분해계수) 산정에는 (유입-배출)/유입 개념을 적용하였다.
상기 온실가스 배출량 산정식은 시멘트 생산을 위해 투입된 SF6가 최종 제품으로 고정화되지 않고(즉, 미분해/미고정화) 대기로 배출될 수 있는 경우 온실가스 배출량을 산정하는 방법으로서, 킬른에서 소비(투입) 및 배출되는 SF6의 양을 측정(분석)하여 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 산정된 온실가스 배출량을 포함하는 온실 가스 배출 실태 보고서를 생성하여 온라인으로 보고하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 온실가스 배출 실태 보고서는 온실가스 감축 목표량을 충족하는지 여부를 판단하는 자료로 활용될 수 있다. 또한, 온실가스 감축정보로서, 탄소배출권을 발생시키는 근거로 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 바람직하게는 실시간으로 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시스템의 온도; 반응물의 온도; 및 온실가스 배출량을 가시화하는 표시모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 모듈이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 시멘트 킬른 시스템에서의 온실가스 배출량 관리 시스템에 있어서,
    상기 시멘트 킬른 시스템의 운전 계획, 일별/월별/연도별 불소함유 가스 구입량 및 주입량, 계측기기 정보 및 측정 분석 관리 정보를 입력받는 데이터 입력모듈;
    상기 시멘트 킬른 시스템에서, 미리 분해된 불소함유 가스와 생석회(CaO)가 반응하여 불소 고정화 프로세스를 진행하면서, 실시간으로 계측기기로부터 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시스템의 온도; 및 반응물의 온도 계측값을 수신 및 관리하는 관리 모듈;
    상기 관리 모듈에서, 입력된 계측값에 기초하여 온실가스 배출량 산정방식을 이용하여 상기 불소함유 가스의 배출량을 산출하는 온실가스 배출량 산출모듈; 및
    상기 불소함유 가스의 배출량에 따라 불소함유 가스의 온도, 시스템의 온도 또는 반응물의 온도를 제어하는 제어 모듈을 포함하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온실가스 배출량 산정방식은 입력된 불소함유 가스 주입량에서 시멘트 킬른에서 배출되는 불소함유 가스의 양을 차감한 수치를 불소함유 가스가 시멘트 킬른에서의 CaO에 고정된 양으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 불소함유 가스는 SF6를 포함하며, 시멘트 킬른에서 SF6는 미리 분해되어 HF로 전환된 후, 상기 CaO와 하기 반응식으로 반응하여 고정되는 것을 특징으로 하는 온실가스 배출량 관리 시스템:
    (1) 2CaO + 2SO4 → 2CaSO4 + O2
    (2) CaO + 2HF → CaF2 + H2O
  4. 제2항에 있어서,
    상기 온실가스 배출량 산정방식은 하기 식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 온실가스 배출량 관리 시스템:
    Ei = Qi x (1 - DRi)
    상기 식에서 Ei는 SF6(i)의 온실가스 배출량(tGHG)이고, Qi는 SF6(i)의 소비량(ton)이고,
    DRi는 소비된 SF6(i)의 분해율(고정화율)로서 0에서 1 사이의 소수이고, DRi = (Qi - Ri)/Qi에 의해 산정되고, Qi는 SF6(i)의 소비량(ton)이고, Ri는 배출구를 통해 배출되는 SF6(i)의 양(ton)이다.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 시멘트 킬른에서, 주입되는 SF6는 열분해된 후 상기 CaO와 반응하여 고정화되는 것을 특징으로 하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열분해는 시멘트 소성과정에서 발생하는 1,000℃ 이상의 열원을 공급하여 진행되는 것을 특징으로 하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    플라즈마 발생부에서 열에너지가 추가적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 CaO의 온도는 700~2,000 ℃, 불소함유 가스의 온도는 1,000~5,000 ℃로 조절되는 것을 특징으로 하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산정된 온실가스 배출량을 포함하는 온실 가스 배출 실태 보고서를 생성하여 온라인으로 보고하는 단계를 더 포함하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    실시간으로 불소함유 가스 주입량, 온도 및 배출량; 시스템의 온도; 반응물의 온도; 및 온실가스 배출량을 가시화하는 표시모듈을 더 포함하는 온실가스 배출량 관리 시스템.
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WO2021085747A1 (ko) * 2019-10-31 2021-05-06 성신양회 주식회사 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치
WO2021085746A1 (ko) * 2019-10-31 2021-05-06 성신양회 주식회사 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치

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KR20020076065A (ko) * 2001-03-27 2002-10-09 전채현 시멘트 소성 공정에서의 염소 성분 제거 설비의 제어시스템과 그 제어 방법
KR101646906B1 (ko) * 2015-09-15 2016-08-09 한국에너지기술연구원 Sf6 처리를 위한 시멘트 소성설비 및 그를 이용한 sf6 처리방법

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