Review

Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers. 31 December 2022. 707-716
https://doi.org/10.32390/ksmer.2022.59.6.707

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 본 론

  •   온실가스 배출권거래제

  •   온실가스 배출할당량 산정

  •   석회석 산업 공정 및 배출 현황

  •   석회석 산업의 온실가스 산정기준 마련 필요성

  •   온실가스 산정기준 개선방안

  •   온실가스 감축을 위한 공정개선

  • 결 론

서 론

탄소중립은 인간 활동에 의한 온실가스배출을 최대한 줄이는 것으로 잉여 온실가스는 산림, 바다 등 자연계에 흡수시키고 이산화탄소 포집, 저장 및 이용 기술(Carbon Capture and Utilization, Storage, CCUS) 등을 통해 제거 또는 활용하는 방법이다. 탄소중립은 실제 배출량(순 배출량)을 Zero로 만든다는 의미에서 Net-Zero라고 칭하기도 한다. 세계적으로 기후변화에 대한 관심이 커지면서 국내에서도 2020년 탄소중립 달성 목표를 선언했고, 2050년까지 탄소중립 정책을 지속적으로 추진하는 것이 하나의 국가적인 과제로 추가되었다. 우리나라는 기후변화 감속을 위해 교토의정서가 발휘된 2005년에는 온실가스 감축 의부가 부과되지 않았지만, 2020년 이후에는 신기후체제를 적용하게 되면서 국내에서도 온실가스를 감축해야 하는 의무를 지게 되었다(Chae and Park, 2016).

온실가스 감축을 통해 탄소중립을 실현하기 위한 방법은 온실가스 배출권거래제도(Emission Trading System, ETS)가 있다. 국내 온실가스 배출권거래제도는 2015년에 시작되었고 현재 1, 2차 계획기간을 지나 제3차 계획기간(2021 ~2025년) 제도가 시행 중이다. 온실가스 배출권거래제도는 도입 초기 약 592여 개의 기업을 대상으로 시작하였으며 2차 계획기간에는 약 637여 개, 3차에는 약 680여 개 기업으로 확대되고 있다. 온실가스배출량 할당 방식의 경우 기존에는 배출량 기준 할당 방식(Grand Fathering, GF)이지만 향후에는 배출효율기준 할당 방식(Bench Mark, BM)으로 점차 확대될 예정이기 때문에 향후 무상할당인 업종도 유상으로 전환될 가능성이 있다고 보고되었다(GIR, 2022a). 참고로 GF 방식은 과거 배출량 기반으로 온실가스배출량을 할당하는 방식으로 많이 배출할수록 많은 양을 할당받게 되고, BM 방식은 과거 활동자료(기준연도의 제품생산량, 연료 사용량 등)를 기반으로 할당하는 방식이므로 배출효율이 좋은 사업자에게 더 많은 배출권을 할당하는 제도이다.

석회석 산업의 경우 ‘시멘트, 석회, 플라스터 및 그 외 제품 제조업(KSIC 코드: 233)’에 포함하여 분류되고 있고, 지금까지는 높은 생산비용 발생도를 바탕으로 무상할당 업종으로 지정된 상태이다(무역집약도와 비용발생도를 곱한 값이 0.002 이상 업종)(GIR, 2022b). 하지만 BM 방식이 확대되면서 4차 계획기간부터는 석회 산업 또한 할당 대상에 포함될 가능성이 높은 것으로 판단하고 있어 관련 대응책이 마련되지 않을 경우 석회 제조업계에 상당한 영향이 있을 것으로 예상한다. 이에 본 연구에서는 석회석 산업 현황 및 온실가스 배출권거래제 도입에 따른 대응 방안을 조사하였다.

본 론

온실가스 배출권거래제

온실가스 배출권거래제는 정부가 온실가스를 배출하는 사업장을 대상으로 연 단위 배출권을 할당하여 할당 범위 내에서만 배출 행위를 할 수 있도록 허용하고 있다. 보유 배출권 대비 여분 또는 부족분에 대해서는 배출권 경매 또는 탄소시장에서의 거래를 통해 판매 또는 확보하게 함으로써 비용 효과적으로 국가의 온실가스 감축목표를 달성하기 위한 제도이다. 즉, 정부는 특정 기간 발행할 배출권의 총 수량을 설정하여 배출권거래제를 적용받는 기업에 무상으로 할당하거나 경매로 판매한다. 기업들은 배출한 온실가스량에 상응하는 배출권을 정부에 제출해야 하며, 미제출 시에는 과태료와 과징금이 부과된다. 결과적으로 사회 전체의 온실가스배출량은 정부가 발행한 배출권 수량으로 제한되며, 배출권이 부족한 기업은 탄소시장에서 배출권을 구매하여 배출권거래제 의무를 이행하면서 온실가스 저감을 유도하고, 온실가스 감축을 통해 잉여 배출권이 발생한 기업은 배출권을 매도하여 감축 노력을 보상받을 수 있는 것이다. 따라서 온실가스 배출권거래제는 온실가스배출 총량 제한 방식이라고 할 수 있다.

현재 온실가스 배출권거래제는 제3차 계획기간 중에 있다. 배출권 거래는 ‘온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률 제22조’에 따라 지정된 한국거래소의 플랫폼을 통해 이뤄지며, 장내·외에서 참여자들 간의 경쟁매매, 거래 주체 간 협의를 통한 협의 매매의 형태로 이루어질 수 있다(KEEI, 2017).

참고로 국내 온실가스 배출권거래제 대응 기업들이 국가 전체 온실가스배출량에서 차지하는 비중은 약 70%이다(KEEI, 2019). 국가온실가스종합관리시스템(National Greenhouse gas Management System, NGMS)에 의하면 2022년 현재 전환, 산업, 수송, 건물, 폐기물, 공공 및 기타 등 6개 부문에서 총 69개 업종에 속한 700여 개 기업이 온실가스 배출권거래제에 대응 중이며, 발전, 철강, 석유화학, 시멘트, 반도체 사업 분야 등이 주요 다 배출 업종으로 알려져 있다.

온실가스 배출할당량 산정

온실가스 배출권거래제 계획기간 내 배출권의 총 수량은 사전 할당량과 예비분의 합으로 결정된다. 사전할당량은 계획기간 시작 전 산정하고 예비분은 계획기간 중에 일부를 할당 계획 변경 또는 사업장 내 시설의 신 ․ 증설이 있을 때 추가로 할당한다.

현재 업체별로 온실가스 배출권거래제 계획기간 내 해당 이행연도의 온실가스배출 할당량(Fi)은 ‘온실가스 배출권의 할당 및 취소에 관한 지침 [별표 1]’에 준하여 계산할 수 있으며, 아래 식 (1)에 나타내었다. 해당 식은 다음의 각 요소인 대상 사업장의 이행연도 예상 온실가스배출량(EEGF), 배출효율 기준방식 적용 대상 사업장의 해당 이행연도 예상 온실가스배출량(EEBM), 목표를 준수한 온실가스 초과감축량(HEextra_red,mean), 할당 대상업체로서 온실가스 감축 설비 및 기술을 도입하여 발생한 감축 실적(EEred,mean)을 더하고, 온실가스 초과배출량을 차감한 것(HEextra_emi,mean)을 제외한 값에 해당 이행연도의 조정계수(AF)를 곱하여 산정한다. 그 밖의 사항(EEetc_red,mean, EEetc_emi,mean)은 환경부장관이 필요하다고 판단하는 상황에 대한 요소이다. 각 요소는 신설사업장의 도입, 사업장의 증설 또는 폐쇄에 따라 세부 산정방식이 달라진다.

(1)
Fi=(EEGF+EEBM+HEextra-red,mean+EEetc-red,mean-HEextra-emi,mean-EEetc-mean)×AF

여기서 조정계수(AF≦1.0)는 해당 산업군의 배출허용 총량을 기존에 제출했던 연평균 배출량과 신·증설 시설로 인한 추가 배출량의 합으로 나누어준 값으로서 온실가스배출량 할당에 중요한 요소이다(KEEI, 2017). 상기 식 (1)에서 요소별 온실가스배출량은 발열량, 산화율, 탄소 함량, 배출시설의 규모 등을 적용하여 도출한다.

참고로 제1차 계획기간의 BM 적용 대상 업종은 항공, 시멘트, 정유 3개 업종에 불과했으나, 현재 제3차 계획기간에는 철강, 석유화학, 건물, 제지, 목재 등 12개 업종으로 BM 적용 대상이 확대된 상태이며, BM 적용 대상 외에는 모두 GF 방식을 적용한다.

석회석 산업 공정 및 배출 현황

국내 석회석 광산 및 가공업체들은 대부분 온실가스 다 배출 업체로서 국내 온실가스 배출권거래제 제3차 계획기간까지 시멘트 업종에 포함되어 의무를 이행하고 있다. 그러나 석회석 광산 및 가공업은 큰 범주에서는 시멘트 업종에 속하지만, 온실가스배출 유형이나 온실가스 감축 잠재량, 사용하고 있는 로(kiln)의 형태나 종류 등에서는 시멘트 제조업체들과는 차이가 있다. 이에 따라 시멘트 업종에서 별도 업종으로 분리하거나, 또는 시멘트 업종에 속해있더라도 석회석 가공업에 속한 기업들에 대한 별도의 배출권 할당 또는 유상할당 예외 적용 등과 같은 차등화가 필요한 상황이다.

석회석 산업의 생산공정은 크게 채광공정, 소성공정, 제품생산 공정으로 구분되며, 온실가스배출 비중은 탈탄산 반응에 의한 공정배출이 75%, 이동연소, 전력, 고정연소에 의한 배출이 25%으로 대부분의 소성공정에서 발생되고 있다. 이는 화석연료인 석탄 등의 연소 과정에서 발생하는 고정연소와 공정상 탈탄산 반응으로 인해 발생하는 공정배출이 가장 큰 온실가스배출 원인이다. 실제 석회 제조업체들의 주요 생산품인 생석회 1톤 생산 시 온실가스배출은 대략 1톤에 이르는 것으로 추정되며, 국내 온실가스배출에 상당량을 기여하고 있는 것으로 보고되었다(Yuli et al., 2015).

Fig. 1은 2005년도부터 2019년도까지 국내 석회 업종의 제품생산량(석회석, 방해석, 백운석) 자료이다(GIR, 2022b). 제품생산량은 2007년을 기점으로 가파른 상승세를 보이고 있으며, 2019년도에는 약 5,845천 톤을 생산하여 2005년 대비 320% 증가한 수치를 나타내고 있다. 석회 업종은 타 산업에 비해 공정이 간단하지만, 연료 외에도 아래 식 (2), (3)과 같이 순수 석회계 물질 자체에서 발생하는 이산화탄소량이 많을 수밖에 없으므로 실질적으로 현재 발생량에서 획기적인 감축은 어려운 상황이다. 제조과정 중 원료의 소성 공정에서 발생하는 온실가스는 생석회과 경소백운석 각 1톤당 0.750 tCO2 및 0.777 tCO2의 온실가스배출계수(IPCC GPG 2000 제시)를 가지기 때문에 다른 공정이나 연료에 의한 배출까지 포함하면 온실가스배출 집약도가 매우 높은 업종이다(GIR, 2022b).

(2)
CaCO3(S)+HeatCaO(S)+CO2(g)
(3)
CaMg(CO3)2(S)+HeatCaO(S)+MgO(S)+2CO2(g)

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Fig. 1.

Annual production of lime products (summed production of unslaked lime and light-burnt dolomite).

현재는 석회계 물질의 품위를 100%로 가정하고 발생량을 산정하고 있기 때문에 투입원료의 품위와 생산 완료한 제품의 품위를 비교한 것을 산정방식에 반영하여, 실제 공정에서 이산화탄소가 발생한 양을 산출하는 방법으로 저감해야 될 것으로 판단한다.

석회석 산업의 온실가스 산정기준 마련 필요성

석회석 산업과 유사한 업종인 시멘트 산업은 배출권거래제 1차 계획기간부터 BM 방식을 적용하였고, 2차 계획기간부터는 온실가스배출량을 유상할당으로 적용하고 있다(GIR, 2022a). 그러나 석회석 산업은 현재 국가배출권 할당 계획인 제3차 계획기간까지는 무상할당되고 있는 상황이지만, 사용하는 주요 원료나 제품을 생산하는 공정(석회석 소성공정)이 시멘트 산업과 동종시설로 분류하고 있으므로 제4차 계획기간에는 유상할당으로 전환될 가능성이 있는 것으로 판단된다.

온실가스 배출권을 할당하기 위해서는 식 (1)에 따라 허용 총량을 계산하는 방법으로 산정되는데, 이 과정에서 GF 방식과 BM 방식이 사용된다. GF 방식은 배출량 기준 할당 방식으로 과거 온실가스배출량을 기준으로 산정하고, BM 방식은 배출효율 기준 할당 방식으로 생산량, 공정 효율성, 원료의 품위 등 변수에 따라 온실가스배출량이 다르므로 이를 반영하여 산정하는 방식이다. 현재는 시멘트, 정유, 항공 분야 등의 업종에서 BM 방식을 적용하고 있다(Park, 2014).

GF 방식으로 할당하는 경우 과거 배출실적과 유사한 배출권을 할당받으므로 적용이 용이한 장점이 있으나, 설비의 효율성, 원료의 품위, 집진 시설 등을 통해 배출되어 재탄산화 되는 원료의 양 등을 반영할 수 없기 때문에 현재까지는 BM 방식을 확대하여 적용하는 추세이다. 하지만 BM 방식은 온실가스배출량을 동종시설과 비교하여 효율적인 설비를 대상으로 배출량을 선정하고 설비로 개선하는 방법이나 이 방법도 확대 적용하는데 문제점이 발생한다.

석회석 및 시멘트 산업 업종 모두 동일한 BM 방식으로 온실가스 배출권을 할당한다면 석회석 산업의 경우는 사업장 운영 지속성에 영향을 받을 수 있다. 시멘트 제조업과 같은 동종 분류 업종이지만 대규모 시설의 경우 온실가스 저감을 위해 신규설비를 구축하는 등의 방법으로 낮은 조정계수(AF)를 부여받을 수 있다. 이때 석회 제조업은 동종 업종이기 때문에 동일하게 낮은 조정계수를 부여받게 된다. 이 경우 영세한 중소 규모의 석회석 소성 업종은 원료와 제품 특성상 온실가스 저감에 한계가 있고, 오래된 시설을 개선하기 위한 신규설비의 도입이 상대적으로 어렵다. 그리고 배출권 구매, 설비개선 등으로 많은 비용 부담이 가중되어 운영에 차질이 생길 우려가 있으므로 석회 업종에 대한 탄소배출량 산정기법 및 기준안 마련을 통한 실무 활용 매뉴얼 제시가 무엇보다도 필요한 상황이다.

온실가스 산정기준 개선방안

석회석 소성업은 환경부의 ‘제3차 계획기간 국가배출권 할당 계획’에 의하면 온실가스 배출권 할당량 산정 시 배출계수는 시멘트 업계와 동일한 ‘시멘트, 석회, 플라스터 및 그 외의 제품 제조업’으로 분류되고 있다. 배출권거래제 3기까지는 석회석 소성업의 비용발생도와 무역집약도를 곱한 값이 0.002 이상이기 때문에 전부 무상할당 대상인 상태이나, 유상할당제 확대에 따라 석회석 소성업도 4기에는 유상할당에 포함될 것으로 전망한다.

현재 온실가스 배출권거래제 적용 과정에서 발생이 예상되는 문제 점검 후 4기에 적용하고자 하는 상황으로 여겨지기 때문에 석회석 산업에서는 정확한 온실가스 배출계수 산정 및 저감 대책을 마련하는 대비가 시급한 상황이다. 또한, 석회석 가공업의 경우 대체로 중소 규모이기 때문에 고효율 설비 도입 등을 통한 공정개선으로부터 온실가스배출량을 감축하는 것과 배출권을 구매하는 것은 업계 전체에 비용적인 부담이 발생하므로 제도의 세분화도 무엇보다 필요하다.

앞서 언급한 것처럼 한국표준산업분류에 의하면 석회석 소성업과 시멘트 산업은 크게 KSIC 233 코드에 속하여 분류되지만, 세분화하면 ‘시멘트 제조업(분류코드 23311)’과 ‘석회 및 플라스터 제조업(분류코드 23312)’으로 분류된다. 따라서 배출권거래제 4기에서 석회석 가공업이 유상할당 되는 경우 업종 규모, 발생 공정특성 등 산업별 특성에 맞게 업종을 세분화하여 배출량을 할당하고 산정하는 것이 바람직하다.

시멘트 산업의 경우 온실가스를 저감 할 수 있는 방안이 원료 대체, 공정개선을 통한 효율 향상, 대체 연료 도입 등 업계의 규모가 석회석 소성업에 비해 매우 크고, 생산하는 제품의 특성상 도입할 수 있는 저감 방안의 도입 폭이 넓기 때문이다. 반면 석회석 소성업의 원료 대체는 불가하며, 연료 대체 또는 공정개선 방안이 가장 현실적인 도입 방법이나 영세한 규모가 많은 업계 특성상 비용적 지원이 없으면 설비개선이 어려우므로 시멘트 산업과 동일한 조정계수(AF)를 부여받는 경우나 감축 방안 도입에 있어서는 불리한 위치에 있으므로 사업장 규모에 따른 정부의 지원이 필요하다.

그 밖에도 석회 킬른 먼지(Lime Kiln Dust, LKD)를 온실가스배출량 산정 시 반영하는 등 산정 등급을 세분화하여 적용하는 방법이 있다. 실제로 석회 킬른 먼지의 경우 탈탄산이 일어나지 않은 입자들도 존재하고, 탈탄산이 일어난 입자들의 경우 대기 중 이산화탄소와 반응을 통한 직·간접 탄산화로부터 탄산칼슘을 재생성하므로 온실가스배출량에서 제외해야 한다(Kim and Park, 2014). Fig. 2는 1963년부터 2020년까지 다양한 석회 활용 분야에서 흡수된 이산화탄소의 양을 조사한 자료를 나타낸 것이다. 총 4073.31 Mt의 이산화탄소가 흡수되었으며 LSS, MOR, SS 순으로 높게 나타난 것을 확인할 수 있다(Bing et al., 2022). 이중 석회 킬른 먼지는 타 물질 대비 많은 양을 흡수하는 것은 아니지만 약 102.70 Mt의 해당하는 이산화탄소를 흡수하기 때문에 온실가스배출량 산정에도 충분히 고려 대상이 된다고 판단된다.

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Fig. 2.

Cumulative global adsorption of CO2 by lime-containing materials from 1963 to 2020.

Table 1은 환경부 ‘온실가스 배출권거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침 [별표 5]’을 나타낸 것이다. 현재 석회 생산분야는 배출량 시설 규모가 C그룹 이상의 시설이 없으므로 산정 등급(Tier)을 1~2등급 수준만 적용하고 있는데, 석회 킬른 먼지는 국내 배출량 산정지침에서 TIer 3등급을 반영하고 있어 현재까지 대기 중 이산화탄소 흡수량은 고려하지 않고 있다. 따라서 산정 등급을 보다 세분화 (Tier 4등급과 같은 배가스 연속측정방법 활용 등)하여 적용하는 것도 온실가스 감축 방안이 될 수 있을 것이다.

Table 1.

Minimal application standard according to emission activities and facility scale

(1) GHG emission from lime product process and use
Discharge activity Tire method Raw materials usage/
Product production
Net calorific value Emission factor
Facility scale A B C A B C A B C A B C
Lime production 1 2 2 1 2 2 - - - 1 2 2
(2) Emission calculation method by calculation grade
Tier 1 Ei = Qi × EFi
Tier 2 Ei = Qi × ri × EFi
Tier 3 Ei = (EFi × Qi × ri × Fi) - QLKD × EFLKD × (1-FLKD)
Tier 4 Continuous Emission Monitoring (CEM)
Nomenclature Ei : emission of CO2 from lime production based on carbonate(i) inputs (tCO2)
(In case of tier 1 and 2, Emissions of CO2 from lime production)
EFi : emission factor for calcination pure carbonate(i) (tCO2/ton)
(In case of tier 1 and 2, Emission factor for lime(i), ton CO2/ton lime)
Qi : weight or mass of carbonate i consumed, tonnes
(In case of tier 1 and 2, lime production of type I, tonnes ri : purity of lime(i) (decimals between 0 to 1)
Fi : fraction calcination achieved for carbonate i, (decimals between 0 to 1)
QLKD : weight or mass of LKD, tonnes
EFLKD : emission factor of LKD emitted for lime production (tCO2/ton)
FLKD : fraction calcination achieved for LKD (decimals between 0 to 1)
(3) Classification of facility scale according to emission
A Emission facility less than 50,000 tons/year
B Emission facility more than 50,000 and less than 500,000 tons/year
C Emission facility more than 500,000 tons/yaer

온실가스 감축을 위한 공정개선

석회석 산업에서의 온실가스 감축 방안은 공정효율 개선, 연료전환, 저감기술 도입 등으로 시멘트 산업에서 적용할 수 있는 온실가스 저감 대책과 유사하지만 유사한 제조공정일지라도 같은 저감 대책을 도입하는 데에는 원료물질과 업종특성에 의한 한계가 있다(Gwon et al., 2011).

먼저 주원료인 석회석을 다른 물질로 대체하는 방안이 있는데, 시멘트 산업에서는 석회석을 석고나 점토 등의 함량을 높이는 방법으로 상대적으로 줄이거나, 석회석 자체를 슬래그, 플라이애쉬와 같은 포졸란 물질로 대체하는 방법으로 줄일 수 있다(Gang et al., 2021). 하지만 이러한 방법은 석회 제조업에서는 적용이 불가능한 방법이므로 연료전환이나 공정개선, 이산화탄소 포집·이용·저장 기술(Carbon Capture and utilization, Storage, CCUS) 등의 방법으로 한정될 수밖에 없다.

CCUS의 도입은 실제 상용화하여 도입하는 경우 가장 효과적인 방법으로 세계 각국에서 전망하고 있다. 하지만 경제성 및 효율성 측면을 고려해 보았을 때 현실적으로 단기간에 적용하기에는 어려운 상황이다. 따라서 탄소중립 2050을 달성하기 위해서는 산업계에서는 중·장기적인 목표를 가지고 지속적인 연구개발이 수반되어야 할 것이다.

기존의 석탄 등의 화석연료를 대신해 가연성 폐기물을 활용하는 등의 연료전환 방법은 공정개선과 함께 이루어져야 하는데, 약 23만 톤의 이산화탄소를 감축할 수 있는 것으로 조사되었다(Park, 2014; Kwon, 2021). Table 2(온실가스 배출권 거래제의 배출량 보고 및 인증에 관한 지침 [별표 12])은 기존 화석연료와 가연성 폐기물의 종류별 이산화탄소 배출계수를 나타낸 것이다. 소성로나 킬른에 사용하는 주 연료는 석탄류인데 일반 석유가스류의 전통에너지보다도 높은 배출계수를 가진다(Yoon et al., 2008; Chatziaras et al., 2014). 반면 가연성 폐기물은 석탄에 비해 낮은 배출계수를 가지지만 높은 발열량을 가지기 때문에 대체 연료로 사용하여 온실가스를 저감할 수 있다. Fig. 3의 유럽석회협회(The European Lime Association, EuLA)의 보고자료 통계에 의하면 혼소 형태로 가연성 폐기물과 오일, 바이오매스 등을 사용하였다(EuLA, 2014). 유사 업종인 시멘트 산업에서도 실제로 Fig. 4와 같이 유럽의 국가들은 화석연료와 함께 상당량의 가연성 폐기물을 연료로 활용하고 있다(KICET, 2021). 영국의 환경청(Environment Agency)에서도 시멘트 및 석회 산업에서 연료 대체에 의한 온실가스 감축 효과를 조사하였는데, 소성로 운전 시 연료를 전량 석유 코크스(Petroleum Coke)를 사용한 것과 대체 연료(Substitution Fuel, SF)를 사용했을 때 온실가스배출량을 비교하였다. 결과적으로 연간 총 567,000톤의 CO2를 저감 할 수 있었고, 대체 연료를 적용하기 전보다 약 18.6%에 해당하는 효과이다(Table 3). 대체 연료로서 주로 가연성 폐기물을 이용한 결과인데, 가스상 연료를 도입할 경우에는 온실가스 감축 효과가 더 클 것으로 예상한다.

Table 2.

Comparison of carbon dioxide emission factor and calorific value of traditional energy sources with alternative fuels

Classification Fuel CO2 emission factor
(kgCO2/TJ)
Caloric Value
Petroleum B-C Oil 75,500 9,984 kcal/L
Naphtha 70,400 7,752 kcal/L
By-product Fuel 72,200 8,856 kcal/L
Butane 66,400 11,904 kcal/kg
Gas LNG 56,100 13,104 kcal/Nm
LPG 64,500 15,096 kcal/Nm3
Coal Anthracite 105,000 5,404 kcal/kg
Bituminous 95,300 7,032 kcal/kg
Combustible Waste RDF 94,800 8,185 kcal/kg
Waste Tire 89,000 8,613 kcal/kg
Waste Plastic 78,000 6,679 kcal/kg
Waste Oil 77,000 4,832 kcal/kg

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Fig. 3.

Fuel mix for lime products reported by the European Lime Association (EuLA, 2014).

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Fig. 4.

Use of alternative fuels in the cement industry (expressed as percentage of fuel replacement) for major cement-producing countries and the European Union as a whole (KICET, 2021).

Table 3.

Reduction in greenhouse gas emissions from calcinating kilns when substitute fuels are used (Environment Agency, 2008)

Section SP2 SP3 SP4 SP5
Case ACase BCase ACase BCase ACase BCase ACase B
Annual ton. Per year net CO2 837,000 647,000 729,000 627,000 752,000 609,000 732,000 600,000
Reduction in annual ton.
Per year net CO2 by
using substitution fuels
190,000 102,000 143,000 132,000

*SP: Suspended pre-heater in cement kiln

*Case A: 100% Petroleum coke

*Case B: 50% Biofuel (meat and bone meal, processed sewage pellets and refused-derived fuel), 20% tyre chips and 30% petroleum coke

반면에 일반적으로 국내에서 많이 운영 중인 토중로와 같은 수직로는 석회석을 활용하여 생석회나 경소백운석을 생산하는 공정 특성상 소성 시 연료의 발열량, 반응성 등이 중요한 요소이나, 일반적으로 가연성 폐기물의 경우 연소 반응이 석탄류와 달리 매우 빠르다(Boynton, 1966). 또, 가연성 폐기물을 사용할 때 발생하는 바닥재(Bottom Ash)가 혼입되어 생석회나 경소백운석 품질에 영향을 미칠 수 있으므로 완전한 대체는 불가능하다고 판단한다.

공정개선을 통해 온실가스를 감축하는 또 다른 방안은 대표적으로 소성로를 현대화하는 방법이 있다. 국내 석회 제조업의 대표적인 소성로의 형태는 Fig. 5와 같으며 대부분 수직로(Fig. 5(A))의 형태인 토중로를 사용한다. 이러한 수직로 형태의 토중로는 석회 제조업에서 과거부터 많이 사용되어 왔으며, 그 밖에도 회전로(Rotary kiln) 형태의 소성로가 일부 가동 중이다. 반면 오래된 토중로는 열량손실이 크고 생산량도 낮은 편이기 때문에 소성로의 공정개선에 따른 효율 향상을 통해 온실가스를 저감하는 방안이 필요하다(Choe, 2010; KLIME, 2011; Seo et al., 2020)

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Fig. 5.

Different kiln types for limestone calcination.

유럽석회협회(EuLA)의 조사에 따르면 다양한 형태의 석회석 소성로 중 가장 에너지 효율이 높은 것은 Table 4와 같이 유체로 형태로 나타났다. 여기서 PFRK의 소성로는 Fig. 4(B)와 같은 Multi-Chamber 형태이며, 대표적으로 독일의 Maerz kiln, 이탈리아의 Cimprogetti kiln이 있다.

Table 4.

Comparison of the energy efficiency as a function of the calcination process (EuLA, 2014)

Process type Energy Efficiency(%)
A Parallel flow regenerative lime kiln (PFRK) 80-90%
B Rotary cement kilns with pre-heater and pre-calciners 68%
C Cross-fired regenerative glass melting 49%
D Brick kiln 68%
E Steel electric arc furnace 70%
F Steel re-heating 75%

하지만 소성로는 한번 설치하면 가동 중단이 어렵고, 기존 공정을 개선하거나 설비를 신·증설하는 것은 국내 영세한 규모의 사업장에서는 해결하기 어려운 부분이다. 이에 지금까지도 50년 이상의 오래된 소성로를 운영하는 기업이 있으므로, 기존의 토중로를 그대로 운영할 수 있도록 열효율을 높이거나 연료의 혼소가 가능하게끔 개선하는 방안도 고려해야 한다. 이를 위해서는 국가의 재정적인 지원책이 필요한 상황이다.

실제로 정부에서는 부처별로 ‘산업연계형 저탄소 공정정환 핵심기술 개발사업’, ‘3050 이산화탄소 포집·활용(CCU) 기술개발 및 통합실증 예타사업(기획)’ 등 탄소중립을 위한 사업이나 기획을 추진해왔다. 관련 업계는 국가의 적극적인 지원이 필요하겠지만, 당사자인 석회석 산업계에서도 이와 같은 정부 사업을 통해 고효율 시설의 연구개발이나 공정개선, 온실가스 감축시설의 신·증축을 위한 적극적인 노력이 필요하다.

결 론

탄소중립 정책 동향에 따라 국내에서도 온실가스 배출권거래제를 수행하고 있으며, 석회석 가공업의 경우 현재 3기까지는 무상할당을 받고 있지만 4기 도입 시 유상할당으로 전환될 가능성이 크므로 이에 대한 대비가 필요한 상황이다. 하지만 현재 3기까지도 시멘트 제조업과 동일한 산업군으로 분류되고 있어 조정계수를 산출할 때 대체로 중소 규모인 석회석 가공업의 경우 불리 할 수 있다.

조정계수 산출 방법은 업계 배출허용총량을 기존에 제출한 업계 연평균 배출량과 신·증설 시설의 배출량의 합으로 나누어 준 값을 사용한다. 하지만 석회석 가공업은 시멘트 제조업과 달리 신·증설 계획이 없을 가능성이 크지만, 동일한 업종으로 분류되기 때문에 낮은 계수를 부여받는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 온실가스 배출권거래제 유상할당 도입에 앞서 제도적으로 업종을 세세히 분류하여 적용할 필요가 있다.

또 석회석 가공업계는 현재 소성 공정에 투입하는 원료와 제품의 품위가 온실가스배출량을 산정할 때 반영되지 않고 있다. 따라서 원료 및 제품의 품위, 석회 킬른 먼지 배출량, 자연계에서 재탄산화되는 양 등을 반영하고 온실가스배출량 산정기준을 도입하여 차기 온실가스 배출권이 유상할당되는 것에 대비해야 한다.

석회석 소성업에서는 업종의 생산공정 특성상 원료에서 배출되는 비중이 약 75% 정도로 타 업종 대비 온실가스 감축이 매우 어렵기 때문에 현실적으로는 상용차량과 전열기구를 고효율 설비로 교체하는 방법이 있다. 그리고 소성로의 최신화를 통해 효율성을 높이고, 연료전환을 통해 현재 연료원으로 사용하고 있는 석탄을 가스상 또는 가연성 폐기물로 전환하거나 혼소하여 온실가스배출을 저감하는 공정개선 방안이 있다.

하지만 대부분 중소 규모인 석회석 소성업체에서는 공정개선 자체 투자만으로는 비용 감당이 어렵기 때문에 국가적인 탄소중립을 위해서는 관련 지자체나 정부의 지원이 필요한 실정이다. 다만 배출권거래제를 도입하는 정부의 궁극적 의도는 산업의 지속성을 유지하기 위해 기업체 스스로 감축 노력을 요구하는 것이다. 이에 따라 석회석 업계도 온실가스 관련 제도 및 부처별로 시행하는 사업에 관심을 가지고 산·학·연·관 협력체계를 구축하여 탄소중립 실현을 위해 노력하는 것이 산업의 지속적인 성장을 위해 바람직할 것으로 판단한다.

Acknowledgements

본 연구는 한국광해광업공단 기술연구사업(2022-10)의 지원으로 수행되었습니다.

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