시멘트 산업에서 CO₂를 안전하고 효율적으로 저장하기 위한 분석 솔루션
2023.09.18
시멘트 산업에서 CO₂를 안전하고 효율적으로 저장하기 위한 분석적 해결책
시멘트 산업을 하나의 국가로 본다면, 이산화탄소 배출량 측면에서 중국과 미국에 이어 3위를 차지할 것입니다. 수치로 표현하자면, 연간 전 세계 시멘트 생산량이 45억 톤에 달하는 시멘트 산업은 약 28억 톤의 이산화탄소를 배출하며, 이는 전 세계 온실가스 총 배출량의 약 8%를 차지합니다.1
시멘트 생산 과정에서 발생하는 이러한 이산화탄소 배출은 원료와 연료의 자연적인 화학 반응에 기인하므로 원칙적으로 피할 수 없습니다. 원료인 석회석은 최대 1,500°C의 온도에서 클링커로 변환되는 과정(소성 공정)에서 다량의 이산화탄소가 방출됩니다.
시멘트 산업 자체를 제한하는 것 또한 현실적이지 않습니다. 결국 건설이 이루어지는 곳이라면 어디에서나 콘크리트의 결합재로 시멘트가 필수적이기 때문입니다. 철도 건설이나 에너지 효율이 높은 건물 건축 등 기후 보호를 촉진하기 위한 프로젝트조차도 중요한 건축 자재인 시멘트 없이는 진행될 수 없습니다.
폐열 활용, 클링커 비율 감소, 새로운 제조 공정, 대체 연료 사용, 콘크리트 재활용 등 배출을 줄이기 위한 몇 가지 접근 방식이 있습니다. 그러나 이러한 조치만으로는 탄소 중립을 달성하기에 충분하지 않습니다.
전자책: 시멘트 및 기타 건축 자재 분석
시멘트의 성분을 이해하는 것은 건설 및 재료 시험 분야의 전문가들에게 매우 중요합니다. 탄소, 황, 할로겐 및 금속 성분의 분석은 시멘트 기반 재료의 품질, 내구성 및 지속 가능성을 보장하는 데 결정적인 역할을 합니다.
기후 중립적인 시멘트 산업을 위한 이산화탄소 포집 및 저장
유망한 대안 중 하나는 배기가스에서 이산화탄소를 걸러낸 후 대기로 배출하는 것입니다. 포집된 이산화탄소는 암석이나 해저 등에 저장될 수 있으며(CCS - 탄소 포집 및 저장), 또는 포집 및 수송을 거쳐 폴리머, 연료, 건축 자재 등을 생산하는 원료로 재이용될 수도 있습니다(CCU – 탄소 포집 및 이용). 따라서 일단 포집된 CO₂는 수송되어 저장되거나, 폴리머, 연료 및 건축 자재 생산을 위한 원료로 재사용될 수 있습니다.
따라서 다음과 같은 탄소 포집 개념들이 중요한 접근 방식으로 간주됩니다:
탄소 포집 및 저장(CCS)
이를 위해 이산화탄소를 포집, 처리, 압축한 후 지하(암반 또는 해저)와 같은 저장 장소로 이송합니다. 이산화탄소는 대기 중에서 포집하거나, 산업 공정이나 발전 과정에서 화석 연료를 사용할 때 배출원에서 직접 포집할 수 있습니다.
탄소 포집 및 활용(CCU)
이산화탄소(CO₂)는 포집 및 수송된 후, 예를 들어 폴리머, 연료 또는 건축 자재를 생산하는 데 필요한 원료 등으로 재사용됩니다.
탄소 포집, 저장 및 활용(CCUS)
이 접근 방식은 CCU와 CCS의 모든 유형을 포괄합니다. CCUS를 통해 산업 활동으로 인해 발생하는 고농도 이산화탄소를 포집하여 효과적으로 활용할 수 있습니다. 따라서 이 방법은 탈탄소화 과정에서 핵심적인 역할을 수행합니다.
탄소 포집의 잠재력
시멘트 제조 공정의 여러 단계에서 이러한 방식을 활용해 탄소를 포집함으로써, 시멘트 제조업체들은 배출량을 대폭 줄일 수 있습니다. 이러한 각 공정에는 비용, 실현 가능성, 효율성 측면에서 각각의 장점이 있습니다.
연소 전 포집
이는 시멘트 생산 공정 중 CO2가 배출되기 전에 이를 포집하는 과정을 포함합니다. 화석 연료를 수소(H2)와 CO2의 혼합물로 전환함으로써 CO2를 분리하여 저장할 수 있으며, H2는 시멘트 생산 공정의 연료로 사용됩니다. 연소 전 포집 방식은 연소 후 포집 방식보다 에너지 효율이 높은 것으로 평가되지만, 장비와 공정에 대한 추가 투자가 필요합니다.
연소 후 포집
현재까지 가장 널리 사용되고 있는 방식입니다. 화학 용매나 막과 같은 특수 장비를 사용하여 소성 후 시멘트 공장 배연가스에서 이산화탄소(CO₂)를 분리·포집한 뒤, 이를 저장하거나 다른 공정(CCUS)에 활용할 수 있습니다.
이를 위해 아민 가스 처리(아민 스크러빙이라고도 함)와 같은 화학적 공정이 사용됩니다. 연도 가스는 아민 수용액과 접촉하게 되며, 아민은 CO₂와 반응하여 흡수 공정 중에 가스 흐름에서 CO₂를 상당량 제거합니다. 탈착 단계에서는 아민/CO₂ 용액이 재생기로 유입되어 가열되며, 이를 통해 세정 용액에서 CO₂를 회수합니다.
이 공정에서는 흡수 능력과 가열 능력 간의 적절한 균형을 찾는 것이 중요합니다. 최종 이산화탄소 탈착 공정에서 가열량을 줄이면 비용을 절감할 수 있지만, 흡수 능력이 저하되어 더 많은 이산화탄소가 아민 용액에 남아 있고 결과적으로 배연 가스에도 잔류할 위험이 있습니다.
흡수 성능과 필요한 가열 전력 간의 최적 균형을 찾기 위해서는 아민 용액 내 CO₂ 농도를 모니터링하는 것이 중요하며, 이를 정기적으로 측정해야 합니다. 이러한 측정은 라만 분광법이나 기존의 적정법과 같은 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다. 또한 NDIR(비분산 적외선) 센서를 이용한 연도 가스 내 CO₂ 농도의 온라인 모니터링도 적용되고 있습니다.
그러나 아민 용액 내 CO₂ 흡수율을 평가하고 CO₂ 포집 공정을 모니터링하는 데는 TIC(총 무기탄소) 측정이 훨씬 더 적합합니다. 이 방법의 장점은 분광 분석법과 달리, 열적 스트레스로 인한 노화로 열적 과정이 아민 용액의 특성을 변화시킬 때 간섭이 발생하지 않는다는 점입니다. TIC 매개변수는 시료를 산 처리하는 간단한 방법으로 측정됩니다. 이 과정에서 탄산염과 탄산수소염이 CO₂로 전환되며, 가스 퍼지를 통해 산 용액에서 쉽게 제거된 후 분석 장치 내의 NDIR 검출기에 의해 정량화됩니다. Analytik Jena의 multi N/C 2300 및 multi N/C 3300은 이러한 용도에 최적화되어 있으며, 아민 흡수 용액 내 CO₂ 모니터링을 위한 정확하고 자동화된 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. (AppNote 참조)
산소-연료 연소
이 공정은 공기가 아닌 순수 산소를 사용하여 연료를 연소시키는 방식으로, 포집 및 저장이 더 용이한 고농도의 CO₂ 흐름을 생성합니다. 산소연소 방식은 시멘트 가마에 통합될 수 있어, 보다 효율적인 탄소 포집 공정을 가능하게 합니다.
탄산화
또는 탄산화는 CCU를 위한 또 다른 접근 방식입니다. 이산화탄소와 광물이 반응하여 탄산염을 형성하며, 이 탄산염은 예를 들어 콘크리트 재활용 재료로 사용되어 강도를 향상시킬 수 있습니다. 이 과정에서는 분리된 이산화탄소가 사용되며, 오래된 콘크리트가 재활용됩니다. 탄산화 공정을 최적화하고 CO₂ 흡수율을 측정하기 위해서는(AppNote 참조), multi EA 4000을 이용한 완전 자동 TIC 측정법이 탁월한 선택입니다.
칼슘 루핑
은 산화칼슘(석회)을 사용하여 시멘트 공장의 배기가스에서 CO₂를 포집하는 방식입니다. 이 공정은 산화칼슘이 CO₂와 반응하여 탄산칼슘(석회석)을 형성하고, 이를 소성하여 포집된 CO₂를 방출하는 순환 방식을 활용합니다. 칼슘 루핑은 유망한 결과를 보여주고 있지만, 아직 연구 개발 단계에 있습니다.
이산화탄소의 직접 분리
시멘트 공장 배연가스에서 이산화탄소(CO₂)를 직접 분리하는 데는 막이나 흡착제와 같은 다양한 기술이 사용되고 있다. 이 방법은 에너지 소비를 줄일 수 있고 인프라 요구 사항이 적다는 장점이 있지만, 아직 개발 단계에 있으며 기술적 과제에 직면해 있다.
탄소 중립 달성을 목표로 이산화탄소를 포집·회수하여 가치 있는 제품으로 전환해 재사용하는 것은 산업 연구 및 혁신 기술 개발 분야에서 중요한 주제입니다. 시멘트 산업 현장에는 이산화탄소 포집 및 저장 시설을 설치하여 연도 가스에서 이산화탄소를 제거한 후 정제, 액화 및 저장이 가능하도록 할 수 있습니다.
시멘트 산업에서 탄소 포집의 이점
시멘트 산업에 탄소 포집 기술을 도입하면 다음과 같은 여러 가지 이점이 있습니다.
- 온실가스 배출량 및 탄소 발자국 감소
- 시멘트의 품질이나 기능성을 저해하지 않으면서 CO₂ 배출을 최소화함으로써 지속 가능한 시멘트 생산을 실현
- 배출 규정을 준수하여 잠재적인 벌금이나 제한 조치를 피할 수 있음
- 건축 자재 생산이나 가치 있는 화학물질 제조 등에 이탄소를 활용하는 것
탄소 포집 기술은 큰 가능성을 지니고 있지만, 해결해야 할 몇 가지 과제도 있습니다. 여기에는 높은 도입 비용, 인프라 개발의 필요성, 효율적인 공정 제어 등이 포함됩니다. 이 부분에서도 TIC 모니터링이 크게 기여할 수 있습니다.
기술이 발전하고 인식이 높아짐에 따라, 시멘트 업계는 이러한 장애물을 극복하기 위해 연구 개발에 점점 더 많은 투자를 하고 있습니다. 스위스 등 일부 국가에서는 건축 업계에서 탄산화 재활용 시멘트를 사용하는 경우 탄소세를 환급해 주는 방식으로 이를 장려하고 있습니다.
전망
기후 변화에 대응하기 위한 전 세계적인 노력이 강화됨에 따라, 시멘트 산업에서의 탄소 포집은 더 친환경적이고 지속 가능한 미래를 위한 길을 열어주는 핵심적인 해결책으로 부상하고 있습니다. 이러한 다양한 방법을 도입함으로써 시멘트 제조업체들은 지속 가능한 시멘트 생산을 보장하는 동시에 온실가스 배출을 대폭 줄일 수 있습니다. 위에서 소개한 TIC 측정 방법을 활용하면 탄소 포집 및 활용 공정을 신뢰성 있고 효율적으로 모니터링할 수 있습니다.
시멘트 및 기타 건축 자재 분석에 관한 당사의 전자책을 읽어보시고, 소개된 탄소 저장 방안을 신뢰성 있게 구현하는 데 활용할 수 있는 강력한 방법들에 대해 알아보시기 바랍니다.
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TIC Determination in Amine Scrubbing Solutions for Efficiency Control of CO2 Emission Reduction from Fossil Fuel Combustion (EN)
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Determination of CO2 Absorption Rates in Cement and Concrete Recycling by Automated Solids TIC Measurement (EN)
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Analysis of Building Materials: C/S/Cl and Metals Determination in Cement and Related Materials (EN)
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