산업공정과 대기오염물질 관리(시멘트․레미콘․아스콘제조업)

2003. 11

환 경 부

머 리 말

우리나라는 좁은 국토 및 높은 인구밀도 등 환경 여건은 열악한 반면,

대규모 산업단지 및 에너지사용량은 지속적으로 증가하고 있어 사실상

대기환경관리 여건이 매우 불리한 입장에 있습니다.

특히 91년도부터 시작한 신경제5개년개발계획 이후 산업발전 속도가

급속히 이루어짐에 따라 전국의 산업단지와 대기오염물질배출업소가 꾸준

히 증가하고 있어 사업장에 대한 환경관리의 중요성이 날로 확대되고

있는 실정입니다.

사업장의 대기오염물질배출량을 줄이기 위해서는 유류의 황 함유기준

강화 등 연료규제정책의 지속 추진과 더불어 배출시설 및 방지시설의

체계적인 운영 관리가 가장 효과적인 정책수단일 것이나, 그간의 배출

업체에 대한 지도․점검은 단속인력 부족 및 단속공무원의 잦은 인사 이동 등에 따라 다양한 산업공정에 대한 정확한 이해가 부족하여 행정

절차적인 면에 치우치는 등 효율적인 지도 점검에 한계가 있었던 것도

사실입니다.

금번 발간한 산업공정 및 대기오염물질관리는 일선공무원이 업종별로

공정의 흐름을 명확히 파악하여 지도․점검을 효율적으로 수행할 수 있도록 공정설명과 함께 대기오염물질 관리 요소 등을 수록 하였습니다.

우선 대기오염물질을 다량으로 배출하고 있고 민원이 많은 시멘트제조업

아스콘제조업 및 레미콘제조업을 대상으로 하였으나, 향후에 다른 업종에

대하여도 연차적으로 제공하고자 하며, 앞으로 본 책자가 관계공무원의

사업장관리업무에 많은 도움이 되기를 기대합니다.

2003년 11월

대기보전국장 고윤화

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목 차

(Index)

제1장 시멘트 제조업

1.1 시멘트 제조업 현황

1.1.1 업종의 일반적 특성 7

1.1.2 환경적 특성 9

1.2 공정의 이해와 대기오염물질 발생

1.2.1 채광 및 조쇄공정 14

1.2.2 분쇄 및 원료치장공정 19

1.2.3 소성공정 25

1.2.4 시멘트 분쇄 및 출하공정 42

1.3 기타사항

1.3.1 시멘트제조업의 주요 방지시설별 특성 49

1.3.2 방지시설별 관리 및 점검 시 고려사항 75

1.3.3 수질오염방지공정 80

제2장 레미콘 제조업

2.1 레미콘 제조업 현황

2.1.1 업종의 일반적 특성 85

2.1.2 환경적 특성 86

2.2 공정의 이해와 대기오염물질 발생

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2.2.1 공정설명 87

2.2.2 오염물질 발생특성 및 방지시설 설치 97

2.3 관리 및 점검 시 고려할 사항 102

제3장 아스콘 제조업

3.1 아스콘 제조업 현황

3.1.1 업종의 일반적 특성 104

3.1.2 환경적 특성 105

3.2 공정의 이해와 대기오염물질 발생

3.2.1 공정 설명 106

3.2.2 오염물질 발생특성 및 방지시설 설치 112

3.3 관리 및 점검 시 고려할 사항 114

※ 부록(Appendix) :

1. 시멘트 제조공정도(총괄) 116

2. 단위환산 및 방지시설 관련 주요 설계인자 118

3. 배출시설 설치사업장 및 비산먼지 발생 사업장 지도․점검 양식 1244. 대기오염방지시설의 주요 점검리스트 131

5. 국내 제조업체별 현황 139

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표 목차

포틀랜드 시멘트의 평균적인 화학조성 8

포틀랜드 시멘트 크링커의 주요한 화합물의 성질 8

시멘트 원료 특성 및 성분 12

소성로 분진의 입경분포 26

시멘트 제조업체별 황산화물(SOx) 측정 결과치 36

소성시설에서의 오염물질 배출현황 38

시멘트산업의 산업폐부산물 재활용 현황(2001년) 39

국내 시멘트업계의 킬른 보유 현황 및 생산 능력 41

시멘트제조업에서의 오염물질 및 방지시설 설치기종 49

대기분야 주요 배출시설 현황 50

입자별 최대 여과속도(Maximum filtering velocity) 50

물질명별 변수 값 52

집진기의 설치 용도 보정치에 대한 변수값 52

먼지의 입도 보정치에 대한 변수값 53

먼지의 농도 보정치에 대한 변수값 53

각종 여과포의 특성과 가격비 55

시멘트 제조시설 중 소성로에서의 NOx 배출허용기준 69

SCR vs. SNCR 공정 비교표 73

시멘트 제조공정 관련 비산먼지 발생사업장 구분 76

시멘트 제조 공정별 비산먼지 발생원과 관리대책 77

공정별 비산먼지 발생원과 관리대책 102

재료의 적치방법 108

플랜트의 설비 및 기능 111

아스콘 공정별 비산먼지 발생원과 관리대책 114

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그림 목차

(그림 1.1) 석회석 채광현장에서 채굴된 양질의 석회석 모습 12

(그림 1.2) 채광(Mining) 및 조쇄(Crushing) 14

(그림 1.3) 석회석 채광지역(계단식 채광) 15

(그림 1.4) 채광 조쇄전경(좌) 및 2차 조쇄기 모습(우) 15

(그림 1.5) 채광 및 조쇄공정 흐름도 17

(그림 1.6) 분쇄(Raw Mill) 및 원료치장(Raw Material Silo) 19

(그림 1.7) 원료 사전혼합(좌) 및 스프링 쿨러 설치 모습(우) 21

(그림 1.8) 분쇄 밀(Raw Mill) 가동 모습 21

(그림 1.9) 부원료 저장 시설 전경 22

(그림 1.10) 조합원료 제조공정 24

(그림 1.11) 유연탄 분쇄공정 25

(그림 1.12) 소성(Sintering/Clinkering) 25

(그림 1.13) 예열기(Suspension Preheater) 설치 모습 27

(그림 1.14) 소성로 가동 모습(소성로 회전수 : 통상 3.5～4rpm) 27

(그림 1.15) 소성로 내부 화염(좌) 및 소성로 버너 설치 모습(우) 28

(그림 1.16) 시간 경과에 따른 킬른 회전수(rpm) 관계 33

(그림 1.17) 소성공정에서의 킬른(Kiln)관리 기록지의 예 34

(그림 1.18) 크링커 제조공정 35

(그림 1.19) 자원재활용 현황도 37

(그림 1.20) 제품공정(Cement Mill) 및 출하(Cement Loading) 42

(그림 1.21) 반제품인 크링커(좌) 이송 과정과 중앙제어실 전경(우) 43

(그림 1.22) Cement Mill(좌)과 Cement Mill용 백하우스 설치모습(우) 43

(그림 1.23) 크링커 분쇄공정 45

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(그림 1.24) 시멘트 포장공정 46

(그림 1.25) 시멘트제조공정 물질 수지도 48

(그림 1.26) 압축공기 분배기(Air header) 56

(그림 1.27) 벤츄리 효과에 의한 탈진 모습 57

(그림 1.28) 여과포에서의 집진 및 탈진 모습 58

(그림 1.29) 밴츄리 튜브가 취부된 백 케이지(Bag cage) 모습 59

(그림 1.30) 에어 유니트(Air unit) 61

(그림 1.31) 전기집진기 외형도(Ⅰ,Ⅱ) 68

(그림 1.32) 촉매 충진 방법 71

(그림 1.33) SCR시스템의 설치 전경 72

(그림 1.34) 암모니아 환원제를 사용한 SNCR 시스템 73

(그림 1.35) CFD의 적용 사례(열 유동 및 온도장 해석) 75

(그림 2.1) 레미콘 공장 전경(Ⅰ) 85

(그림 2.2) 레미콘 공장 전경(Ⅱ) 86

(그림 2.3) 레미콘 제조업의 공정도(예) 87

(그림 2.4) 골재(굵은골재, 잔골재, 모래) 야적 현황 88

(그림 2.5) 골재 이송 설비 89

(그림 2.6) 투입골재 계량시설(좌) 및 레미콘 출하 부위(우) 90

(그림 2.7) 레미콘 출하 모니터(좌) 및 중앙제어실(우) 91

(그림 2.8) 횡치형 레미콘 플랜트 구성모습 92

(그림 2.9) 탑형 레미콘 플랜트 구성모습 92

(그림 2.10) 믹서의 세척방식 95

(그림 3.1) 아스콘 제조업의 공정도(예) 106

(그림 3.2) 아스팔트 저장고(좌) 및 골재 상부 이송시설(우) 107

(그림 3.3) 건조기(Dryer) 가동 모습 109

(그림 3.4) 아스콘 출하시설(좌) 및 아스콘 배출구 모습(우) 109

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제1장 시멘트 제조업

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제1장 시멘트 제조업

1.1. 시멘트 제조업 현황

1.1.1 업종의 일반적 특성

시멘트 산업은 주원료인 석회석과 점토 광물, 기타 물질 등을 혼합․분쇄하여 1,450℃ 이상의 킬른(Kiln)에서 소성한 후, 석고를 첨가한 후 밀

(Mill)에서 분쇄한 후 시멘트를 생산하는 장치산업이다.

우리나라 시멘트 산업의 발전 과정을 간단히 살펴보면, 1919년 연간 30

만톤 규모의 건식 공장을 평양 근교에 설치한 것이 최초이며, 해방 당시

6개공장 총 시멘트 생산 능력이 약 170만톤 정도였다. 2001년 국내 통계

자료에 의하면 총 생산량이 5,200만톤으로 세계 시멘트 연간 생산량 순위

4, 5위권에 해당되는 비약적인 큰 발전을 이루게 되었다.

규모면에 있어 국내 시멘트 제조 산업은 국내 총 산업에서 차지하는 비

중이 약 5% 정도이며, 제조 공정 특성상 화석 연료를 사용하여 고온에서

제조되기 때문에 먼지, 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO2) 등이 다른 산

업에 비교하여 많이 배출되므로 대기환경오염에 미치는 영향이 큰 산업으

로 분류되고 있다.

또한 시멘트 제조 공정은 타 산업의 공정과 비교하여 비교적 단순하고

연료를 많이 사용하는 에너지 다소비 산업이므로 시멘트를 제조할 때 먼

지, 질소산화물, 이산화탄소 등의 발생을 저감하는 대기오염 방지 기술과

폐기물의 재활용을 위한 폐기물 처리 기술 그리고 주에너지원으로 화석

연료를 사용하므로 에너지를 절감하기 위한 공정을 개선할 수 있는 친환

경 기술로의 발전이 필요하다.

여기서 시멘트의 특성을 간단히 살펴 보면, 시멘트란 미분쇄된 무기물질

의 혼합 분말로 물과 혼합되면 화학 반응을 일으켜서 경화하는 재료이다.

이 화학 반응을 수화 혹은 수화 반응(Hydration)이라고 말하며, 물의 존

재하에서 경화하는 성질을 수경성(Hydraulic)이라고 말한다.

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시멘트 제품의 종류로는 포틀랜드 시멘트, 혼합시멘트, 특수 시멘트, 모

르타르 제품등이 있는데, 우리가 일반적으로 사용하는 보통 시멘트는 포

틀랜드 시멘트이다.

포틀랜드 시멘트는 표 1.1에 나타내는 화학 조성으로, 현재 전세계에서

약 14억톤 제조되고 있으며 물, 잔골재(모래), 굵은골재(자갈)와 혼합하여

콘크리트로 된다.

포틀랜드 시멘트의 평균적인 화학조성

산화물성분 CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 (Na2O+K2O)

조성범위(%) 60～67 17～25 3～8 0.5～6 0.1～4 1～3 0.5～1.3

석회질 원료와 점토질 원료를 분쇄, 혼합하여, 킬른에서 가열(소성)해서

단단한 괴상의 크링커로 된다.

크링커를 현미경으로 보면, 규산칼슘의 결정이 알루민산 칼슘, 철알루민

산 칼슘에 둘러싸여 있다. 중요한 크링커 화합물의 단순화한 화학조성식

을 표 1.2에 나타냈다. 냉각한 크링커를 석고(CaSO4․2H2O)와 혼합, 분쇄하여 시멘트로 만든다.

포틀랜드 시멘트 크링커의 주요한 화합물의 성질

화합물과 조성식 크링커 중의 상태 반응속도 수화열

C3S(3CaO, SiO2)

Tricalcium silicateAlite 빠르다(시간) 중～500 J/g

β-C2S(2CaO, SiO2)

Dicalcium silicateBelite 느리다(일) 저～250 J/g

C3A(3CaO, A2lO3)

Tricalcium aluminate

Aluminate

(C3A alkali 고용체)순간적 매우높음～850 J/g

C4AF(4CaO, Al2O3, Fe2O3)

Tetracalcium aluminoferrite

Ferrite

(Ferrite고용체)매우빠르다(분) 중 ～420 J/g

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1.1.2 환경적 특성

시멘트 제조 공정에서 배출되는 대표적인 대기오염 물질로는 먼지, 질소

산화물, 이산화탄소 등이다.

질소산화물은 반제품으로 일컬어지는 시멘트 크링커가 킬른 내부의

1,450℃라는 고온에서 제조되기 때문에 공기 속에 존재하는 질소(N2)가

산화되어 발생하기 때문에 선진국의 시멘트 제조회사들은 80년대 중반부

터 이런 문제점을 인식하고 질소산화물을 저감할 수 있는 기술 개발에 착

수하였다.

공기 중에 존재하는 질소가 산화되어 발생하는 질소산화물을 일명

‘Thermal NOx’라고 하는데, 이는 고온에 의해서 대기 중의 질소와 산소

가 결합하여 생성된 것으로 연소 과정에서 생성되는 NOx의 대부분을 차

지하고 있다.

최근의 국내․외 기술의 발전 및 시멘트 제조업체의 여건을 감안할 때 적용 가능한 질소산화물 저감 기술로는 선택적 비촉매 환원법(SNCR)의

적용, 저NOx버너, 다단연소, 연소 배기가스 재순환 방법 등이 있다.

시멘트 제조업체에서는 TMS 설치 및 2005년부터 대기오염물질 배출허

용기준이 강화됨에 따라 상기의 기술을 도입하기 시작하였으며, 특히 환

경에 대한 관심이 점차 증가함에 따라 더 이상 질소산화물을 현재와 같이

배출할 수 없는 실정에 다다르게 되었다.

먼지의 경우에는 시멘트 제조공정에서 배출되는 대표적 물질로서 배출

억제를 위한 설비 투자도 상당히 이루어졌다.

시멘트 제조 공장의 먼지 제거 설비로는 전기집진기(Electrostatic

Precipitator), 여과집진기(Bag House) 등이 있으나 최근에는 전기집진기

대신 집진 효율을 증대하기 위하여 집진기 입구 유입 가스의 부하 변동에

도 강하고, 미세 먼지(Fine Particle) 제거 효과에도 탁월한 여과집진기로

대체하고 있는 실정이다.

이산화탄소는 연료 및 석회석의 열분해로 연소 과정에서 발생하는 것으

로 온실 가스의 주범이다. 따라서 1970년대 중반부터 킬른에서의 열부담

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과 에너지 절감을 위해 선진국의 시멘트 제조 회사들은 자체 시스템을 개

발하여 연료의 사용량을 줄이는데 노력을 기울여 왔다.

또한 시멘트 제조 공정 중 발생하는 대표적인 대기환경 오염물질로 비산

먼지가 있는 데, 업종의 특성상 채광과정(발파), 운송, 이송 과정 및 야적

등에서 많은 비산 먼지가 발생하여 많은 민원이 발생하고 있다.

이는 심하게 발생하면 미세한 입자가 빛을 흡수하고 산란시킴으로써 육

안으로 식별 가능한 최대 가시거리가 감소하는 현상인 시정장애 현상이

발생하는 것은 물론 인체, 식물 및 재산에 많은 영향을 미치게 된다.

이런 현상을 방지하기 위하여 시멘트 제조업체에서는 채광 및 조쇄 공정

그리고 분쇄 및 원료 치장 공정에서 많이 발생하는 비산 먼지를 통제하기

위한 시스템을 효율적으로 구성해야 하며, 또한 수송 과정 중 도로에서

발생하는 비산 먼지는 근본적으로 도로 포장과 함께 세륜 및 살수 설비를

항시 가동하여야 한다.

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1.2 공정의 이해와 대기오염 물질 발생

시멘트 원료인 석회석을 캐내는 채광 과정, 채광한 석회석 덩어리를 부

수는 조쇄 과정, 품질 산포를 줄이기 위해 부서진 석회석을 섞는 혼합 과

정, 혼합된 석회석을 기타 부원료와 함께 분말 상태로 더욱 잘게 부수는

원료분쇄 과정, 원료를 고온으로 가열시켜 각종 화학반응을 일으킨 후 크

링커가 제조되는 소성 과정, 식혀진 크링커에 석고를 첨가하여 더욱 잘게

부숴 시멘트를 완성하는 분쇄 및 출하 과정 등의 여러 단계의 과정을 거

쳐 시멘트는 완성된다.

우선 시멘트 제조 과정을 전체적으로 이해하기 위하여 공정을 간단히

구분하여 설명하면 다음과 같다. (상세 공정 및 대기오염물질 발생은 본

절 참조)

○ 채광 과정

국내 석회석 산지인 강원도 동해지역 및 충북 단양 등에 매장된 석회석

은 그 질이 세계적으로 인정받고 있을 뿐 아니라 한국에서 매장량이 가장

풍부한 자원 중의 하나이다.

국내 시멘트 제조업체에서는 대부분 계단식 채광법을 쓰고 있으며 채광

이 끝난 후 다시 자연 상태로 되돌리기 위한 환경 보존에도 신경을 써야

한다.

채굴된 석회석은 적재용량에 맞는 거대한 덤프 트럭에 실려 석회석 덩어

리를 부수는 기계인 조쇄기로 운반된다.

○ 조쇄 과정

채굴된 석회석은 3차례의 조쇄과정을 거치면서 직경 25～30mm 이하의

밤톨만한 크기로 부숴지며 조쇄 과정을 마친 석회석은 원료 혼합장으로

운반된다.

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○ 혼합 과정

조쇄 과정을 마친 석회석은 원료 혼합장으로 운반되며, 이 혼합장은 서

로 다른 광산에서 채굴된 석회석을 골고루 섞어 시멘트의 성분을 고르게

하고 품질을 향상시키는 역할을 한다.

혼합에 의해 성분이 균일해진 석회석은 혈암, 규석, 철광석 등의 부원료

와 일정한 비율로 혼합되어 더 잘게 부수는 원료 분쇄기로 보내진다.

다음 표 1.3은 시멘트 원료 특성 및 성분을 요약 정리한 표이고, 그림

1.1은 시멘트의 성분을 고르게 하고 품질을 향상시키기 위해 채굴된 양질

의 석회석 모습(우측 사진)이다.

시멘트 원료 특성 및 성분

명 칭투입비율

(%)

구 성 비

(%)주요성분 주요 공급지

석회석 80 ~ 90 75 CaO -광 산

점토질 원료 5 ~ 10 15 Al2O3 -경석, 납석광산

-산업부산물활용

철질 원료 3 ~ 5 3 Fe2O3 -철광석 광산

-산업부산물활용

규석질 원료 0 5 SiO2 -석회석에 포함

석고 원료 4 ~ 5 2 SO3 -부산물 활용

(그림 1.1) 석회석 채광현장에서 채굴된 양질의 석회석 모습

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○ 원료 분쇄 과정

회전하는 분쇄기 내부에서는 원료와 스틸 볼(Steel ball)이 서로 엉키면서

원료를 잘게 부수어 여성이 쓰는 화장용 파우더 만큼의 미세한 분말 상태

로 만든다.

무엇보다 좋은 품질의 시멘트를 생산하기 위해서는 정확한 비율에 의한

원료 배합이 무엇보다 중요한데, 이를 위해 원료를 섞고 부수는 과정 중

에 검사를 위한 샘플(Sample)이 정기적으로 자동 추출되어 첨단 분석 기

능을 지닌 로봇에 의해 화학 성분이 분석된다. 그리고 그 분석된 결과는

자동적으로 각 공정에 반영되어 다시 조정되며 이렇게 완벽한 검사를 거

친 원료는 사일로(Silo)라고 불리우는 거대한 저장고로 보내지게 된다.

○ 소성 과정

킬른(Kiln)은 거대한 화로같은 것으로서 1분에 약 3.5～4번씩 회전하며,

그 내부는 온도가 1,450℃에 이르며 고온으로 구워지는 원료는 각종 화학

반응을 일으켜 시멘트 반제품인 크링커로 만들어진다.

○ 분쇄 및 출하 과정

크링커에 시멘트의 굳는 시간을 조정하기 위하여 적당량의 석고

(Gypsum)를 첨가해서 곱게 가루로 만든 것이 시멘트이다. 땅 속에 숨은

자원 석회석이 여러 과정을 거쳐 비로소 미세한 크기의 분말로 완성 되게

되는데 이것이 바로 시멘트 완제품이다.

이상과 같이 전체적인 공정 이해를 돕고자 시멘트 제조 공정을 개략적으

로 살펴 보았는데, 다음 절에서는 공정을 더욱 더 세부적으로 분석하고,

공정 중 발생하는 대기오염 물질의 현황 및 발생 특성에 대하여 살펴봄으

로서 공무원의 사업장 지도 단속 뿐만 아니라 시멘트 제조업에 종사하는

환경 관리인의 업무에도 도움을 주고자 한다.

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편의상 본 절에서는 공정을 4부분, 즉 채광 및 조쇄 공정, 분쇄 및 원료

치장 공정, 소성 공정, 시멘트 분쇄 및 출하 공정으로 각각 구분하여 설명

하기로 한다.

1.2.1 채광 및 조쇄 공정

(그림 1.2) 채광(Mining) 및 조쇄(Crushing)

본 공정은 광산에서 채광된 석회석을 적재, 운반을 통해 조쇄기에 투입

하여 1, 2차 조쇄 공정(필요시 3차 공정 포함)을 거쳐 30mm 이하의 크기

로 조쇄 후, 석회석의 품질이 일정하도록 혼합 및 저장하여 다음 공정인

원료 분쇄기로 석회석을 공급하는 공정이다(그림 1.2)

가. 채광

채광은 간혹 갱내에서 이루어지는 것도 있지만 대부분 노천 채광이 이루

어지고 있다. 전형적인 채광 공정은 쇼벨이나 불도우저에 의한 표토 제거,

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암석의 폭파, 궤도차나 트럭에 폭파된 암석의 적재 및 채석장 또는 공장

에 있는 분쇄 시설까지의 운반 등이 포함된다. 채석된 암석의 크기는 직

경이 약 1m 이상이 되는 것도 있다.

(그림 1.3) 석회석 채광 지역(계단식 채광)

(그림 1.4) 채광 조쇄 전경(좌) 및 2차 조쇄기 모습(우)

배출 오염 믈질의 특성을 살펴 보면, 먼지 배출은 암석의 폭파, 적재와

적재 트럭, 운반 등 채광 단계에서 일어난다.

도로로부터 발생되는 비산 먼지는 살수 등의 습식 처리로 감소시킬 수

있으며, 대부분의 먼지는 공장 부지 내에 떨어지는 강하먼지이며 수송 동

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선(動線)에 있는 비포장 도로는 도로 포장을 조속히 시행 해 비산 먼지를

저감하여야 한다.

벗겨진 표토는 때때로 원료로 이용될 수도 있지만, 그렇지 않은 경우에

는 보통 그 지역에 매립된다. 표토의 제거로 발생하는 양은 시멘트 톤당

0~3톤 정도이다.

나. 조쇄 공정

조쇄 공정은 채광된 원료 광석의 크기를 작게 하는 것이다. 이때 사용되

는 분쇄기는 원석의 상태(경도, 크기 두께 등)에 따라 다르며 분쇄기 형태

에 따라 자이래토리 크라셔(Gyratory Crushers), 죠 크라셔(Jow

Crushers), 임팩트 밀(Impact Mills), 햄마 밀(Hammer Mills) 및 롤 크라

셔(Roll Crushers) 등이 있다.

분쇄 시설은 채석장 내에 있는 것도 있으며 이것은 이동식이다. 선별과

저장을 목적으로 하는 분쇄석의 운반은 이 공정에 포함된다.

대표적인 분쇄 시설에서 1차 크라셔는 원광석을 100~250mm 크기로 분

쇄하고 2, 3차 크라셔에서 다시 10~30mm의 크기로 재분쇄한다. 분쇄된

물질들은 벨트 컨베이어를 이용하여 원료 야적장이나 창고로 운반되며 후

에 다른 원료 물질과 같이 건조 공정 또는 혼합 공정으로 운반된다.

때때로 원료의 부분적인 건조가 소성로 배가스 크링커 냉각 공기 또는

가열된 열풍 공기를 분쇄기에 통과시키므로써 분쇄 공정 중에 일어난다.

먼지는 분쇄, 선별 및 단계별 운반 시에 배출된다. 배출 먼지의 대부분은

공장 부지 내에 떨어지는 무거운 강하 먼지이다. 방지 시설이 없을 때는

시멘트 톤당 0.01톤이 배출되며 집진 시설을 설치하면 톤당 0.0005톤까지

감소시킬 수 있다.

이상의 설명을 바탕으로 채광 및 조쇄 공정 중 발생할 수 있는 대기오염

물질과 관련한 사항을 설명하기로 한다.

다음 그림 1.5는 채광 및 조쇄공정의 흐름도를 나타낸 블록 다이아그램

- 17 -

(Block Diagram)이다.

광산개발

착 암

발 파

적 재

운 반

1차 조쇄기

저 장

2차 조쇄기

3차 조쇄기

운 반

공 장 치 장

(그림 1.5) 채광 및 조쇄 공정 흐름도

그림 1.5와 같이 채광 및 조쇄를 위해 착암 및 발파를 통해 석회석을 채

굴하고, 채굴된 석회석은 차량으로 운반하여 조쇄 공정을 거치게 된다.

1, 2차 조쇄 공정을 거친 석회석은 입자의 크기가 30mm 이하이며, 필요

시 3차 조쇄 공정까지 거치게 된다.

채광 및 조쇄 공정에서는 비산 먼지의 발생이 대부분으로서 그 범위가

넓고 광범위하므로 채광시마다 비산 먼지에 대한 관리가 엄격하게 요구되

고 있으며, 특히 채광 전지역에는 살수차를 운영하거나 스프링 쿨러

*입자크기 : 10~30mm

*입자크기 : 100~250mm

- 18 -

(Spring cooler)를 설치하여 대기 중으로 비산되는 먼지를 통제해야 한다.

착암시는 착암기 자체에 이동식 형태의 집진 시설을 운영하여야 하고,

발파시는 M.S.D 지발 뇌관을 사용하는 등 대기오염 물질의 관리에 유의

하여야 한다.

그리고 싣고 내리기 작업시에는 원석 자체에 살수하는 방법으로 대기 중

비산 먼지의 발생을 억제하여야 하고, 차량 이동은 도로 비포장에 따른

비산 먼지 억제를 위하여 항상 저속(가급적 20km 이하) 상태에서 주행하

도록 관리하여야 한다.

이상의 설명을 중심으로 광산 및 이송 과정을 중심으로 비산 먼지를 관

리하기 위한 방법을 요약 정리하면 다음과 같다.

1) 광산

․채광 전지역 : 살수차 운영 혹은 스프링 쿨러(Spring Cooler) 설치 ․착암 작업시 : 착암기 자체 집진 시설 운영(이동식 형태) ․발파 작업시 : M.S.D 지발 뇌관 사용

(통상 25/1,000초 간격으로 순차적 폭발)

* M.S.D(Million Second, 단발전기내관) : 시간차에 의해 발파되는 것을 말

하는 것으로서 12/1,000초 간격으로 연속 발파됨.

․싣기 및 내리기 작업 : 원석에 살수(살수차 이용) ․차량이동 : 20km 이하

2) 이송

․벨트(Belt)이송 : 밀폐시설 및 집진기

- 19 -

1.2.2 분쇄 및 원료 치장 공정

(그림 1.6) 분쇄(Raw Mill) 및 원료치장(Raw Material Silo)

분쇄 및 원료 치장 공정은 광산에서 공급하는 석회석과 함께 시멘트 원

료로서의 성분 규격에 맞도록 석회석 자체에서 부족한 부원료(점토질, 철

질원료 등)를 계측 정량하여 원료 분쇄기에 투입하여 건조, 미분쇄 과정

등의 공정을 거쳐 차기 공정에서 생산되는 시멘트 반제품인 크링커

(Clinker)를 만드는데 적합하도록 입자 크기를 88㎛ 이하로 분쇄한 후 균

일한 성분 분포가 되도록 혼합 과정을 거친 후 원료 저장고에 원료를 저

장하는 공정이다.

따라서 본 공정에서 주요 핵심 공정으로 취급되는 건조(Drying)와 미분

쇄 혼합(Glinding & Blending)공정으로 구분하여 상세하게 설명하면 다음

과 같다.

- 20 -

가. 건조(Drying)

이 공정은 파쇄 공정에서 운반되어 온 시멘트 원료 물질의 수분 함량을

1% 이하로 줄이게 된다. 보통 원료 물질의 수분 함량은 3~8% 정도이나

20% 정도 되는 것도 있다.

건조된 원료는 컨베이어로 저장 사일로에 운반되며, 건조 공정은 건식

공정에서만 필요하고 습식 공정에서는 필요하지 않다.

소성로의 배출 가스, 로의 가열 공기 또는 크링크 냉각 공기는 원통형

회전 건조기에서 분쇄 원료를 건조하는데 이용되고, 현대적인 시설에서는

건조와 분쇄는 한 공정으로 이루어져 있다.

건조기로부터 배출되는 분진량은 시멘트 톤당 0.01~0.05톤 정도이며 이

것은 열을 얻기 위하여 사용된 소성로 배출 가스 및 클링커 냉각 공기에

포함된 분진량에 추가되는 것이다. 전기집진기나 여과집진기는 배출 먼지

를 0.00002톤으로 감소시킬 수 있다.

나. 미분쇄 및 혼합(Glinding and Blending)

이 공정은 소성로에 투입할 원료를 미세하게 분쇄하고, 회전소성로의 투

입 원료로서 적합한 성분에 맞게 원료들을 혼합하는 공정이다.

야적이나 창고에 있는 원료들은 평량기로 조합비에 맞게 정확하게 평량

하여 컨베이어 벨트를 통하여 원료 밀에 운반된다.

보통 볼밀(Ball mill)과 튜브밀(Tube mill)이 직렬로 연결되어 있거나 이

들을 종합한 콤파트먼트밀이라고 부르는 2단 분쇄기가 흔히 사용된다.

롤러 밀(Roller mill)은 보다 적은 동력으로 작동되며 입경이 크고 수분

량이 많은 원료에 사용할 수 있어 최근에 흔히 사용되고 있다. 이때 공기

분리기를 이용하여 분쇄된 원료를 생산에 적합한 크기의 것과 적합하지

못한 것으로 분리하며, 분쇄된 원료는 75~90% 이상의 200mesh체를 통과

하여야 한다. 흔히 원료 물질의 건조가 원료밀의 앞부분이나 원료밀 내에

서 소성로 배가스 클링커 냉각 공기 또는 로의 가열공기에 의해 이루어진

다.

- 21 -

최종적으로 미분쇄된 원료는 공기 수송 장치, 엘리베이터 또는 스크류

컨베이어에 의해서 저장 사일로에 운반된다. 여러 개의 사일로에 있는 원

료들을 최종적으로 혼합하기 위해서는 교반기, 순환기, 혼합기 등이 이용

된다. 최종 혼합물은 공기 또는 기계적 교반 및 혼합이 1~2시간 정도 실

시된 후 소성로에 투입된다.

먼지 배출은 정량 투입기, 컨베이어, 원료밀과 저장 사일로에서 배출될

수 있다. 총 먼지 배출량은 시멘트 1톤 생산당 0.03톤으로 예상된다. 집진

시설(백필터)을 설치하면 0.0003톤 이하로 감소시킬 수 있다.

(그림 1.7) 원료 사전 혼합(좌) 및 스프링 쿨러 설치 모습(우)

(그림 1.8) 분쇄 밀(Raw Mill) 가동 모습

- 22 -

외부 야적으로 인한 비산 먼지가 발생할 수 있는 공정으로 옥내 저장,

방진벽, 지속적인 살수 등의 대책이 필요하다.

그림 1.7과 같이 원료 사전 혼합(Preblending)과정 중 발생하는 비산 먼

지를 제어하기 위한 목적으로 설치한 스프링 쿨러(우측 사진)의 보호를

위해 겨울철 스프레이 워터(Spray water) 동결 및 배관 동파 방지를 위한

관리에 만전을 기하여야 하는데, 그 대책의 일환으로 배관(Piping)을 중심

으로 외면에 전기 열선(Electric cable)이나 스팀 배관을 포설하면 겨울철

동파를 방지할 수 있다.

◁ 부원료를 저장할 경우에 있어 별도

의 격리벽을 설치하여 보관하는 경우

(대단위 저장)와 완전 밀폐형 구조인

호퍼(Hopper)형태 혹은 사일로(Silo) 형

태로 보관하는 경우가 있음(정량공급)

좌측 사진은 국내 S양회의 부원료 저장

시설임.

(그림 1.9) 부원료 저장 시설 전경

분쇄 및 원료 치장에 있어 사업장 비산 먼지를 중심으로 한 주요 공정별

대기오염 물질 제어 대책은 다음과 같다.

① 석회석․부원료 석회석․부원료의 야적시는 상옥시설로 밀폐하여 비산먼지로 인한 작업장 내부 민원에 유의해야 하고, 인근 주위 대기환경오염 방지에 만전을

기하여야 한다.

- 23 -

② 원료 생산 및 저장

․각 이송 벨트(Belt) : 밀폐 시설 및 집진기를 정상 가동시켜 이송 과정 중의 분진을 최소화 하여야 한다.

․원료 분쇄 시설 : 전기집진기(ESP) 혹은 여과집진기 백필터(Bag House)를 설치하여 분쇄 과정 중 발생할 수 있는 먼지를 처리하여야 한다.

․원료 저장 시설 : 밀폐 시설인 Silo를 설치하고 집진기를 부착하여야 하는데 원료 저장 시설의 대부분은 일체형으로서 여과집진 시설을 채택하고

있다.

또한 분쇄 및 원료 치장에 있어 조합 원료 제조 공정 및 유연탄 분쇄 공

정을 중심으로 설명하면 다음과 같다.

그림 1.10은 조합 원료 제조 공정으로서 각 원료 호퍼(Hopper)에 저장된

원료(Raw material)는 원료 피더(Feeder)를 통하여 이송하게 되는데 이

때 이송 과정 중 발생하는 먼지를 포집하기 위하여 여과집진 시설인 백

하우스(Bag House)를 가동하게 된다.

원료 분쇄기 및 선별 과정 동안 발생하는 먼지도 여과집진 시설에서 포

집되고 선별된 원료는 여과집진 시설이 부착된 조합 원료 사일로에 최종

보관되며, 조합 원료 사일로에는 여과집진 시설이 부착되어 있다.

- 24 -

각 원료 Hopper

원료 Feeder

원료 분쇄기

선별시설(Mill Sep′)

조합원료 Silo

여과집진 시설

여과집진 시설

여과집진 시설

여과집진 시설

(미분쇄 연료)소성배가스

투입

(그림 1.10) 조합원료 제조공정

다음 그림 1.11은 유연탄 분쇄 공정을 나타낸 도표로서 치장된 유연탄은

공급 피더(Feeder)를 통해 유연탄 분쇄기 및 선별 시설(Mill Seperator)을

거치게 되는데 이 때 분쇄 및 선별 과정 중 발생하는 먼지는 여과집진 시

설에서 제거되고, 분쇄 및 선별된 미분탄은 소성 시설에의 공급을 위해

최종 미분탄 저장빈(Storage bin)에 보관된다.

미분탄 저장빈은 별도 갖춘 여과집진 시설을 통해 발생하는 먼지를 엄격

하게 통제 및 관리해야 한다.

- 25 -

유연탄 치장

(유연탄 + 코크스)

공급 Feeder

유연탄 분쇄기

선별시설(Mill Sep')

미분탄 저장빈 여과집진시설

여과집진시설

소성시설

(그림 1.11) 유연탄 분쇄공정

1.2.3 소성공정

(그림 1.12) 소성(Sintering / Clinkering)

- 26 -

소성공정은 시멘트제조공정중에서 가장 중요한 공정으로 원료분쇄기에서

공급하는 원료를 약 900～1,000℃까지 예열하고, 이 원료를 회전식 소성로

에서 약 1,450℃까지 고온으로 소성하여 시멘트 반제품인 크링커를 제조

생산, 냉각 공정을 거쳐 크링커 저장 설비에 저장하는 공정이다.

크링커 냉각기에서 대기 중으로 배출될 수 있는 먼지량은 방지 시설이

없을 때 시멘트 톤당 0.1톤 정도이며 이중 입경이 10μ 이하인 것이

10~15%이다. 냉각기에 고효율 전기집진기, 여과집진기 등을 설치하면 먼

지 배출량을 0.00007톤까지 감소시킬 수 있다.

소성로 연료로 유황 함량이 많은 석탄이나 유류를 사용하면 SOx의 배

출이 일어날 수도 있으나 황산화물은 알칼리 물질에 흡수되어 크링커 물

질로 된다.

소성로에서 배출되는 먼지의 입경분포(Particle size distribution)를 나타

내면 표 1.4와 같다.

소성로 먼지의 입경분포

분 진 량 입 경 분 포

1μ 이하

1μ 이상 ~ 5μ 이하

5μ 이상 ~ 10μ 이하

10μ 이상 ~ 20μ 이하

20μ 이상 ~ 30μ 이하

30μ 이상 ~ 40μ 이하

40μ 이상 ~ 50μ 이하

50μ 이상 ~ 60μ 이하

60μ 이상

3%

20%

15%

20%

16%

10%

6%

3%

7%

합 계 100%

소성에 필요한 연료는 일반적으로 유연탄을 사용하는데 유연탄 분쇄기를

- 27 -

통하여 연료를 공급받는다.

(그림 1.13) 예열기(Suspension preheater) 설치 모습

(그림 1.14) 소성로 가동 모습(소성로 회전수 : 통상 3.5～4rpm)

* 우측 사진은 Kiln 본체 냉각용 공기 공급라인을 표시한 것임

- 28 -

(그림 1.15) 소성로 내부 화염(좌) 및 소성로용 버너 설치 모습(우)

혼분 원료는 소성로의 상부 끝 쪽으로 공기 펌프에 의해 투입되며 경사

진 소성로의 하부로 서서히 이동한다.

소성로에 투입되는 열은 석탄, 석유 또는 천연 가스의 연소에 의해 소성

로 하부로 부터 공급된다. 고열 연소 가스는 소성로에서 원료의 흐름과

반대 방향으로 흐르도록 강제 통풍을 사용하여 위로 불어 올린다.

소성로 내벽은 열로부터 강철 벽을 보호하고 열손실을 방지하여 연료를

방지하여 연료를 절약하기 위하여 내화 벽돌로 만들어져야 한다.

소성로 내에는 혼분 원료(Raw meal)에 충분한 열 교환이 이루어지도록

돌출부가 있어야 한다.

원료 물질은 소성로를 통과하는 동안 가열되어 온도가 800~1,000℃에 이

르게 되면 CaCO3로부터 CO2가 방출되며 1,500℃에 이르면 부분적으로

용융되어 복합 화합물이 형성된다. 그 결과로 직경 0.5~1cm 정도의 크링

커가 된다.

크링커는 냉각기 내에 유입된 공기 또는 물에 의해 냉각된다. 냉각기로

는 회전 냉각기, 평판 냉각기, 격자 냉각기 등이 있다.

냉각기에서 가열된 공기는 연소용 공기의 예열에 이용되고, 냉각된 크링

커는 승강기 또는 벨트 컨베이어에 의해 저장고로 이송된다.

최근에는 유가 상승 등의 이유로 다단 서스펜션 예열기(Multi-Suspension

- 29 -

Preheater)가 실용화되어 있으며, 이는 원료 물질이 소성로에 투입되기

전에 소성로의 배기 가스가 다단 예열기의 사이클론에 원료와 반대 방향

으로 이동하여 원료가 예열하도록 되어 있는 장치이다.

소성시설은 규모나 용량에 있어 회사마다 차이기 있으므로 여기서는 소

성시설과 관련한 전형적인 시설의 한 예(例)를 소개하고자 한다.

∙소성로 크기 : 직경 5m × 길이 145m

∙4단 예열기 : 길이 65m × 직경 4.3m(예열기 높이 60m)

∙크링커 냉각기 : 4 ×2m의 수평 그레이트형 격자형으로 500kw 용량의

송풍기 7~10개를 가진 것

∙소성로 집진장치 : 일반 소성로의 배출 가스는 온도가 높아 유리 섬유

여과재를 제외하고는 견디지 못하는 고온이므로 내열성이 강한 단열 백

하우스(Bag House)가 사용되며, 수분 응축을 방지하기 위해서는 노점보

다 높은 45℃ 정도가 유지되어야 한다.

배기 가스 온도가 280℃ 이상이 될 때는 유리 섬유 여과재일지라도 집

진 효과를 기대할 수 없다. 따라서 이러한 경우에는 전기집진기 또는

대체가 가능한 집진기를 사용한다.

또한 킬른 배기 가스는 분진 농도가 높아서 사이클론이나 멀티클론과

같은 기계적 집진기로 배기 가스의 전처리를 하여야 한다.

∙크링커 냉각기 집진 장치 : 크링커 냉각기의 집진을 위해서는 보통 구

획된 전기집진기가 사용된다.

전기집진기의 먼지 제거 원리는 집진기로 유입되는 무극성인 먼지는 코

로나방전에 의해 (-)로 하전되어 방전극 양측에 설치된 (+)극인 집진판

에 의해 제거되는 것이다.

소성로에서 배출되는 오염 물질을 살펴 보면, 소성로에서 연소 가스를

직접 대기 중으로 배출한다면 크링커 톤당 0.06~0.23톤의 먼지가 배출되

- 30 -

나 고효율 전기집진기 또는 여과집진기를 통과시킨 후 배출하면 먼지 배

출량은 0.002톤까지 감소시킬 수 있다.

그리고 크링커 냉각기에서 대기 중으로 배출될 수 있는 먼지량은 방지

시설이 없을 때 시멘트 톤당 0.1톤 정도이며 이중 입경이 10μ 이하인 것

이 10~15%이다. 냉각기에 고효율 전기집진기, 여과집진기 등을 설치하면

먼지 배출량을 0.00007톤까지 감소 시킬 수 있다고 보고 되고 있다.

최근에는 소성로용 집진기를 여과집진기(Bag House)로 대체하고 있는

데, 이는 여과집진기가 전기집진기에 비해 유입 가스 부하 변동에 강하고,

재비산의 주원인인 미세 먼지(Fine particle)의 처리에도 적합하기 때문이

다. 또한 과거에 소성로용 대기오염 방지 시설로서 전기집진기가 대부분

채택된 것은 내열성 필터 백(Filter Bag)에 대한 기술 개발의 미진함도 한

요인이었다.

소성 공정을 더 상세하기 이해하기 위하여 본 장에서는 시멘트 제조 공

정의 핵심이라 할 수 있는 소성 공정에 있어 킬른(Kiln)의 운전 방법 및

특성을 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.

로타리 킬른(Rotary Kiln)이란 회전식 소성로를 말하는데 크링커(Clinker)

를 소성하기 위한 시설을 말한다. 다단(통상 5～6단) 사이클론에 투입된

원료가 하단 사이클론으로 내려오면서 점점 예열되어 바닥단 사이클론에

서 약 900～1,000℃로 예열된 후 킬른의 입구측으로 투입되며, 투입된 원

료는 킬른의 분당 회전수(rpm)에 따라 킬른 출구측으로 이동되며 화학

반응을 일으켜 크링커를 형성한 후 냉각기(Cooler)로 보내게 된다.

킬른에는 고열에 견디고 본체(Shell)를 보호하기 위하여 내화연화가 축로

되어 있다. 킬른에서 크링커를 소성하기 위한 열설비시설로 버너가 설치

되는데 연료로는 B-C 유와 유연탄인 Coal을 사용한다.

킬른의 회전을 위한 핵심 구동 부위(Main Drive Unit)에는 모터 및 감속

기 등이 있으며, 킬른 동체의 회전과 관계된 킬른 동체에 부착된 톱니바

퀴 모양의 기어를 거스 기어(Girth Gear)라 한다.

킬른 동체의 회전과 지지를 위하여 킬른 동체에 부착된 여러 개의 타이

- 31 -

어(Tire) 및 몇 개의 서포트 롤러(Support Roller)가 있으며, 이 타이어

(Tire)는 킬른 동체와 분리되어 회전한다.

킬른을 처음 가동할 때나 갑자기 멈추었을 때 킬른을 회전시키기 위하여

보조 엔진이 설치되어 있다.

킬른의 운전 방법은 상당히 광범위하며 보수 후 시동할 때와 잠시 정지

되었다가 재시동할 때와의 화입 또는 승온(Heating up)시에는 차이가 있

다.

시멘트의 소성은 초기(1824년)에는 고정직입형의 샤프트 킬른(Shaft Kiln)

이었으나 현재는 거의 사용되지 않으며, 모형 원통 로타리 킬른(Rotary

Kiln)이 사용되어 소성 용량의 증대와 연료 및 인건비 절약에 크게 기여

하고 있다. 킬른에 투입된 원료가 크링커로 조성되기까지의 소성 온도에

따른 변화는 다음과 같다.

- 32 -

•소성온도에 따른 변화

100℃ 이하 : 자유수분이 증발됨

500℃ 이상 : 점토 광물에 부착된 결정수가 증발됨

600~700℃ : MgCO3의 탈탄산 반응이 시작됨

약 800℃ : CaCO3의 탈탄산 반응이 시작됨

600℃ 이상 : 석회석과 점토 광물간의 반응이 시작됨

800℃ 이하 : CA(CaO, Al2O3), C2F(2CaO, Fe2O3), C2S(2CaO, SiO2)의 생

성반응이 시작됨

800~900℃ : Cl2A7(2Cl, 7Al2O3)의 생성반응이 시작됨

900~1,100℃ : C7AS(7CaO, Al2O3, SiO2)가 생성되며 이들은 다시 분해됨

C3A(3CaO, Al2O3), C4AF(4CaO, Al2O3, Fe2O3)의 생성반응

이 시작됨

CaCO3 탈탄산 반응이 시작됨

1,100~1,200℃ : C3A(3CaO, Al2O3), C4AF(4CaO, Al2O3, Fe2O3)가 대부분 생

성됨

C2S(2CaO, SiO2) 양이 최대치에 도달함

1,260℃ : 최초의 액상이 생성됨

1,200~1,450℃ : Free-CaO는 양이 점차적으로 줄어듬과 동시에 C3S(3CaO,

SiO2)의 생성량이 증가됨

그리고 킬른에서의 소성 온도와 관련한 Heating Up Schedule은 다음과

같다.

- 33 -

킬른 입구에서의 O2 %

℃

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

8% 2%

③

3%

② ⑤① ④

① : 200℃까지 매 2시간마다 1/2회전

② : 500℃까지 매 30분마다 1/3회전

③ : 750℃까지 매 20분마다 1/3회전

④ : 850℃까지 매 15분마다 1/3회전

⑤ : 850℃ 이상부터 0.4~1rpm으로 계속 회전

(그림 1.16) 시간 경과에 따른 킬른 회전수(rpm) 관계

다음 그림 1.17은 중앙제어실에서 관리하고 있는 Kiln에 부착된 부착 온

도지시계(Thermo-couple)를 통해 전송되는 포인트(Point)별 온도값을 나타

낸 것이다.

- 34 -

(그림 1.17) 소성 공정에서의 킬른(Kiln)관리 기록지의 예

소성 공정에서 생산되는 반제품인 크링커의 생산 과정 및 관련 방지 시

설을 블록 다이아그램으로 나타내면 그림 1.18과 같다.

- 35 -

연료공급

(미분탄,

폐타이어

외)

조합원료 Silo

원료 공급 Feeder

소 성 시 설

냉 각 시 설

이 송 시 설

여과집진시설

여과집진시설

질소산화물(NOx) 제거장치

여과집진시설

(원료분쇄시설 공용)

여과집진시설크링커 저장

(Dome, Silo, 치장)

(그림 1.18) 크링커 제조 공정

조합 원료 Silo에 저장된 원료는 원료 공급 피더(Feeder)를 통해 소성 시

설인 킬른(Kiln)으로 투입되게 되는데, 이 때 발생하는 분진은 백 하우스

(Bag House)를 통해 포집하게 된다.

소성 시설을 통해 대기 증으로 배출되는 오염 물질은 입자상 및 가스상

물질로 대별할 수 있다.

시멘트 제조 공정에서 사용되는 주연료는 일반적으로 저유황 B-C와 유

연탄이다. 초기 점화 시 액체 연료인 B-C유를 사용하다가 어느 정도 로

(爐)내 승온이 이루어지면 유연탄으로 연료를 전환시킨다.

B-C유 및 유연탄으로 인해 배출되는 대기오염 물질인 황산화물(SOx)은

대부분 크링커 제조 공정 중 흡착 제거되므로 최종 배출구인 연돌에서는

- 36 -

거의 배출되지 않는데, 이는 최근 시멘트 제조업체를 대상으로 측정한 황

산화물(SOx) 측정 결과치(시․도 보건환경연구원 및 자체검사)를 조사한 결과(2002년~2003년) 대부분 검출되지 않고 있으며, 2개 업체에서만

6~30ppm정도 검출되고 있다.

시멘트 제조업체별 황산화물(SOx) 측정 결과치

업 체 명 검사기관별 기준치 검사결과

A 사 자체검사 500ppm 0ppm

B 사 자체검사 500ppm 0ppm

C 사 자체검사 500ppm 0ppm

D 사 자체검사 500ppm 0ppm

E 사 자체검사 500ppm 0ppm

F 사 자체검사 500ppm 0ppm

G 사 자체검사 500ppm 0ppm

H 사지자체

보건환경연구원500ppm 0ppm

I 사충청북도 500ppm 0ppm

자체검사 500ppm 0ppm

J 사 자체검사 500ppm 0ppm

K 사지도점검기관 500ppm 0ppm

자체검사 500ppm 9ppm

L 사

지자체

보건환경연구원500ppm 5.8ppm

(주)비엔지 500ppm 30.7ppm

소성 공정에 사용하는 대체 연료로는 코우크스, 폐타이어, 정제유, 경유,

폐유류, 페합성수지류, 폐지, 제지 슬러지(Sludge) 등이 있는데, 이 중 코

우크스는 비용이 높아 잘 사용하지 않고 있으며 제지 슬러지는 연료로 이

용시 자체 수분 함량이 높아 경제적이지 못하므로 일반적으로 사용을 제

한하고 있다.

- 37 -

시멘트 산업은 각종 산업 폐부산물을 킬른(Kiln)을 이용하여 부원료 및

연료로 재활용하고 있으며 포항제철 부산물인 고로 슬래그 및 발전소 부

산물인 비산재(Fly Ash)는 시멘트 혼합재로 활용함으로써 에너지 절약,

원가 절감 및 자원 재활용에도 기여하고 있다(그림 1.19 참조)

(그림 1.19) 자원 재활용 현황도

크링커 제조 공정에서 발생하는 먼지 뿐만 아니라 대기오염 물질의 하나

인 질소산화물(NOx)은 소성로 내부의 운전 조건에 크게 영향을 받는데,

이와 관련한 대표적인 배출 농도 관련 인자(Factor)는 연소 온도 및 공기

비라 하겠다.

즉, 적정 온도 및 공기비를 통해 정상 운전이 되지 않을 경우 질소산화

물의 배출 농도는 비례적으로 증가하게 되고, 배출 농도 범위도 커질 수

밖에 없다.

- 38 -

대체적으로 국내 시멘트 제조업체의 소성로에서 배출되고 있는 질소산화

물의 농도 범위는 2002년~2003년도에 조사한 결과, 현재 약 200~400ppm

수준으로서 법적 배출 허용 기준치인 350ppm을 약간 상회하고 있는 업

체들도 있으며, 업체에서도 이에 대한 대책을 수립하고 있다.

다음 표 1.6은 시멘트 제조 시설 중 소성 시설에서의 오염 물질 배출 현

황을 요약한 표이다.

소성 시설에서의 오염 물질 배출 현황

업 체 명

오염물질 배출 현황

먼지

50(13)mg/Sm3질소산화물

350(13)ppm

A 사 41.～9.3 225～364

B 사 2.1～7.94 241～322

C 사 5～13 235.9～444.1

D 사 4.5～9.1 242.2～342.2

E 사 4.3～6.2 323～342

F 사 - -

G 사 4.0～10.2 274～307

H 사 3.1～12.1 304～341.3

I 사 7.4～10.3 120.4～136.6

K 사 9.22～9.58 2～32

최대 온도 2,000℃로 피소성물을 1,450℃까지 상승시킬 수 있는 시멘트

소성로를 이용한 폐기물 처리는 기존의 폐기물 처리 시설보다 우수한 성

능을 가지고 있으며 약간의 설비만 보완하면 되므로 경제적이다.

그리고 처리시 발생하는 재(Ash)는 시멘트의 원료로 사용되므로 오염물

질의 발생이 없이 폐기물을 처리할 수 있다.

- 39 -

▸신규 소각시설 투자비용 보다 저렴▸소각시 발생하는 각종 유해가스가 원료 중에 흡착▸기존 방지시설로 대기오염 증가없이 처리가능▸고온분해 특성으로 악성폐기물 처리에 효과적▸잔존 폐기물 원료화 이용▸매립지 확보난 해결

킬른내 폐기물 처리시 장점

시멘트산업의 산업폐부산물 재활용 현황(2001년)

(단위:천톤)

구 분 종 류 1999 2000 2001

크

링

커

원

료

점토질

경 석 1,298 1,097 1,031

석탄회 816 929 945

오니류 36 156 239

소각재 11 102 117

철 질제강(전로)슬래그 484 461 702

비철슬래그 536 501 326

규산질 폐주물사 67 117 180

기 타 - 185 278 220

- 40 -

구분 종 류 1999 2000 2001

연

료

P/Cokes 227 222 245

폐타이어, 고무류 63 77 139

폐유, 정제유 등 27 35 71

기타(폐플라스틱 등) 6 5 15

혼

합

제

고로슬래그 3,890 5,080 4,821

석탄회 및 소각재 132 122 95

기타 282 64 55

응결

지연제

탈황석고 351 529 613

중화석고 66 187

기타(티탄석고 등) 27 52 49

합 계 8,438 9,893 10,050

소성 과정을 통해 배출되는 대표적인 대기오염 물질인 먼지는 소성시설

에서는 원료 및 투입과정 등에서 먼지의 발생 농도에 변화가 많이 일어난

다. 최근 시멘트 제조업체에서는 소성 과정 중 발생하는 많은 먼지를 안

정적으로 제거하기 위하여 기존 전기집진기(ESP)를 여과집진기(Bag

House)로 교체하는 작업을 진행 중에 있다.

이는 여과집진기가 코로나 방전에 의해 먼지를 제거하는 전기집진기에

비해 부하 변동에 훨씬 강하고, 재비산이 우려되는 미세 먼지의 효율적

제진 뿐만 아니라 여과집진기에 사용할 수 있는 내열성 여과포(Filter

bag)의 재질 선정이 가능하기 때문이다.

- 41 -

국내 시멘트업계의 킬른 보유 현황 및 생산 능력

업 체 별 사업장별킬른(Kiln)

킬른(Kiln) 수 능력(천톤/년) 비 고

동 양삼 척 7 10,045

계 7 10,045

쌍 용

동 해 7 11,056

영 월 5 3,536

문 경 2 568

계 14 15,160

한 일단 양 6 7,131

계 6 7,131

현 대

단 양 4 2,905

영 월 2 3,960

계 6 6,865

아 세 아제 천 4 4,146

계 4 4,146

성 신단 양 5 9,686

계 5 9,686

고 려장 성 1 660

계 1 660

라파즈한라

옥 계 4 6,633

신 기 1 1,551

계 5 8,184

유니온 청 주 1 150 백시멘트

계 1 150

합 계 49 62,027

*출처 : 한국양회공업협회, 2003

- 42 -

1.2.4 시멘트 분쇄 및 출하공정

(그림 1.20) 제품공정(Cement Mill) 및 출하(Cement Loading)

소성 공정에서 생산된 크링커와 함께 응결 지연제로서 사용하는 석고를

계량하여 시멘트 분쇄기에 투입, 입자를 44㎛ 이하로 아주 곱게 분쇄하여

시멘트 저장고인 사이로(Silo)에 시멘트 완제품을 저장하고, 저장된 시멘

트 완제품을 소비자의 요구에 따라 포장 및 벌크 상태로 화차 및 트럭을

이용하여 소비자 및 출하 기지로 수송한다.

- 43 -

(그림 1.21) 반제품인 크링커(좌) 이송 과정과 중앙제어실 전경(우)

(그림 1.22) Cement Mill(좌)과 Cement Mill용 백 하우스 설치 모습(우)

시멘트 분쇄 및 출하 공정과 관련하여 그 기능 및 투입 물질, 가동 조건

등을 구분하여 설명하면 다음과 같다.

○ 포틀랜드 시멘트(Portland Cements)

이 공정은 클링커에 5%의 석고를 첨가하여 제분기에서 분쇄하여 미분의

시멘트를 만드는 것이다. 이때 시멘트 분말의 크기는 325 메쉬체를 통과

하는 것이 94~98% 이상이어야 한다. 제분된 분말은 저장 사일로에 저장

된 후 벌크 운반차에 적재되거나 지대에 포장된다. 물론 특수 포틀랜드

- 44 -

시멘트를 만들기 위하여는 다른 첨가제가 이 공정에서 첨가되게 된다.

○ 석공용 시멘트(Masonry Cement)

이 공정은 클링커에 약 5%의 석고와 5%의 석회석을 혼합 마쇄하여 미

분으로 만드는 것을 말한다. 이때 일반적으로 분말의 크기는 325 메쉬체

를 통과하는 것이 94~98% 이상이어야 한다.

○ 포틀랜드, 석공용 시멘트 공통

클링커와 첨가물질들이 저장고로부터 시멘트 성분에 맞게 정확한 비율로

평량되어 인출되며, 인출된 원료들은 컨베이어 벨트를 이용하여 볼밀에

투입된다. 볼밀은 내부에 고무 피막을 부착할 수도 있고 2개의 구획으로

구분되어 있다. 볼밀에서 분쇄된 미세한 분말은 공기 분리기(Air

Separator)에서 분리되어 이중에서 입도가 규정 이상으로 큰 것은 다시

볼밀에 재투입된다. 이 공정에서는 볼밀의 분쇄에 의해 열이 발생하게 되

므로 석고의 탈수를 막기 위하여 공기 또는 냉각수로 냉각을 시켜 주어야

한다.

사일로에 저장된 시멘트를 트럭, 기차, 배 등에 적재하기 위해서는 공기

이송 장치(Air Slide Conveyor)가 이용되며 우리나라의 지대 포장 단위는

40kg이다.

대기 배출 오염 물질을 살펴 보면, 시멘트 분쇄 및 포장시 분진이 발생

되며 이의 제거에는 멀티 사이크론과 전기집진기 또는 여과집진기의 2단

처리가 효율적이며, 집진기를 통과하여 배출되는 분진의 예상량은 시멘트

1톤 생산에 0.00001톤 정도이다.

- 45 -

부원료 공급

(석고슬래그)

(미분쇄 시멘트)

크링커 저장

(Dome, Silo, 치장)

원료 공급 Feeder 여과집진시설

여과집진시설원료 이송시설

크링커 분쇄기

선별시설(Mill Sep')

여과집진시설

여과집진시설시멘트 저장(Silo)

이 송 시 설

(그림 1.23) 크링커 분쇄공정

상기 공정표에서 시멘트 분쇄 및 출하 공정에서 저장된 크링커는 일정량

씩 원료 공급 피더(Feeder)를 통해 크링커 분쇄기로 이동하는데, 이 경우

원료 공급 피더와 원료 이송 시설에서는 먼지가 발생하게 되므로 이를 전

량 Bag Filter로 처리하고 있다.

크링커 분쇄기에서도 마찬가지로 분쇄 과정 중 먼지가 발생하게 되므로

여과집진 시설이 필요하고, 분쇄된 크링커는 선별 시설(Mill Seperator)을

통해 시멘트 저장 Silo(밀폐형)에 저장되게 된다. 그리고 선별 시설을 통

해 걸러진 미분쇄 시멘트는 다시 크링커 분쇄기로 피드 백(Feed-back) 되

어 재분쇄된다.

최종 생산 제품으로 저장되는 시멘트는 먼지 발생 우려로 인해 시멘트

- 46 -

시멘트 저장

(Silo)

시멘트 저장빈

선별시설

포 장 기 Bulk 상차 여과집진시설

여과집진시설

여과집진시설

Bulk 시멘트 출하포장시멘트 출하

저장 Silo에 여과집진 시설을 함께 설치하여 관리하고 있다.

그림 1.24는 시멘트 포장 공정을 나타낸 것으로 최종 생산 공정에 해당

한다. Silo에 저장된 시멘트는 선별 시설을 통해 포장 시멘트와 Bulk 시멘

트로 출하되는 데 이 경우 먼지가 발생할 수 있어 관리에 철저를 기하여

야 한다.

특히 Bulk 시멘트 출하시 운전자는 Loading 과정 중 철저히 먼지를 제

어할 수 있도록 신경을 써야 한다.

(그림 1.24) 시멘트 포장공정

결론적으로 시멘트 분쇄 및 출하 과정에서 발생할 수 있는 대기 오염 물

질 제어 대책은 다음과 같이 요약할 수 있다.

① 제품 생산 및 저장

․반제품 인출(이송) : 밀폐 시설 및 집진기․반제품 야적 : 저장 호퍼 및 상옥(上屋)시설로 밀폐

- 47 -

․제품 이송 : 밀폐 이송 시설인 에어 슬라이더(Air slide) 및 집진기․제품 저장 시설 : Silo(밀폐시설) 및 집진기② 제품 출하

․제품 출하 시설 : 집진기․공장 전지역 : 콘크리트 포장, 노면 청소차 운행, 세륜(洗輪)시설 운행

이상의 공정설명을 기준으로 다음 그림 1.25는 크링커(Clinker) 일생산

1,000톤을 기준으로 작성한 물질 수지도의 예이다.

- 48 -

- “A"사 ”B" Kiln 운전 Data 기준

- Clinker 일생산 1,000 ton 환산기준 적용

- Cement 분쇄기 : Vertical roller Mill 기

석회석 채광(Crushing)

석회석 분쇄(Crusher)

원료 분쇄(Raw Mill)

소성(Kiln)

시멘트 분쇄(Cement Mill)

시멘트 저장(Cement Silo)

폐 석

유연탄 분쇄(Coal)

Bulk Cement 출하

180 Ton 1,560Ton

1,380Ton

1,540Ton

1,000Ton

1,075Ton

1,075Ton

Bag Cement 출하

가스량 : 136,000S㎥/일 먼 지 : 4.0mg/S㎥ NOx : 200～400ppm

가스량 : 57,000S㎥/일 먼지 : 10.0mg/S㎥

가스량 : 120,000S㎥/일 먼지 : 10.0mg/S㎥

37 Ton30 Ton42 Ton51 Ton

94 Ton

40 Ton35 Ton

점토질 원료철질 원료Al질 원료기 타

석 고Slag

(그림 1.25) 시멘트 제조공정 물질 수지도

- 49 -

업 종 제조공정 오염물질 방지시설 비 고

시멘트

제조업

1. 채석

쇄석, 운반, 저장

2. 건조

3.원료분쇄 및 혼합

컨베이어, 원료밀, 저장

사이로

4. 소성 및 냉각소성로,

크링커냉각기, 석회

5.크링커 분쇄 및 포장

1.비산먼지

2.먼지

3.먼지(건식공정에한함)

4.먼지, CO, NOx, SOx

HC, 알데히드, 케톤

5,먼지

1. 살수, 기계집진

세륜시설

2.기계집진,

여과집진

3.여과집진기

4.전기집진기,여과

집진기, 기계집진

5.기계집진

1.3 기타사항

1.3.1 시멘트제조업의 주요 방지시설별 특성

가. 방지시설 적용 현황

일반적으로 시멘트 제조 공정에서 발생되는 오염 물질 및 방지 시설 설

치 기종을 요약하면 표 1.9와 같다.

시멘트 제조업에서의 오염 물질 및 방지 시설 설치 기종

*출처 : 대구환경지방청, 환경관리기술(Ⅰ), P.96, 1993.2

특히 시멘트 산업은 환경을 최우선 경영 방침으로 설정하고 환경 보호를

위한 지속적인 시설 투자를 통해 배출 단계에서부터 오염 물질을 차단할

수 있도록 방지 시설을 설치, 운영하여야 하며, 정부의 법적 배출 허용 기

준을 철저히 준수하는 엄격한 관리 체계를 운영함으로써 환경 보전에 최

선을 다하여야 한다.

- 50 -

대기분야 주요 배출시설 현황

배출시설 오염물질 배출허용기준 방지시설

소성시설

먼 지 50(13)㎎/S㎥ ESP, B.F

황산화물 500(13)ppm 원료에 흡착

질소산화물 350(13)ppmSNCR, 저NOx 버너 설치,

이단연소 등을 통한 발생 억제

냉각시설 먼 지 50(13)㎎/S㎥ B.F

기타시설 먼 지 120(13)㎎/S㎥ B.F

나. 여과집진기(Bag Filter)의 주요 설계 인자 결정 방법 및 구성 요소

① 최대 여과 속도

최대 여과 속도(Maximum filtering velocity)에 대한 정보는 표 1.11과

같다.

입자별 최대 여과 속도(Maximum filtering velocity)

먼지 또는 훈연 최대 여과 속도(cfm/ft2 또는 ft/min)

탄소, 흑연(Graphite), 금속훈연 5～6

비누, 합성세제, 산화아연

「*시멘트」(원료), 점토(녹색), 「플라스틱」,「페인트」 7～8

색소, 녹말, 설탕, 목재가루, 아연

산화「알루미늄」, 「시멘트」(완제품), 점토(유리질) 9～11

석회, 석회석, 석고, 운모, 석영, 콩, 활석

「코코아」, 「초콜렛」, 밀가루, 곡물 12～14

가죽먼지, 톱밥, 담배

주 : 입자가 매우 작거나 부하가 크면 1ft/min 속도로 감소한다.

*출처 : Danielson, 1973:Theodore and Buonicore, 1976.

- 51 -

② 여과 속도 계산 방법

여과 속도를 계산하기 위하여 다음 표 1.12에 의하여 물성치를 파악한

후 다음 내용을 각 표를 참고하여 구한다. 물질명별 변수 값은 아래 표

1.12와 같다.

① 먼지 물질명별 보정치(A1) ② 집진기 설치 용도 보정치(B1)

③ 집진기 내부 온도 보정치(C1) ④ 먼지의 입도 보정치(D1)

⑤ 먼지의 농도 보정치(E1)

A = A1․60․0.00785(m/min), A1 = 물질명별 변수 값

B = { ( 38 + B1 ) / 2 ) / 60 ( Fa ) }

B1= 설치 용도별 변수 값

C = r'ara

(Ratio)

- 52 -

물질명별 변수 값

A1 9.56 7.66 6.39 5.75 3.85

물

질

명

과자분

마분지분

코코아분

사 료

소맥분

곡물

피분

목분

연초

아스베스트

빠후분

섬유질

셀루로즈류

주물분

석고

수산화칼슘

페라이트

고무약품

염

모래

샌드브라시분

소다회

활석분

아루미나

아스피린

카본블랙

*시멘트

자기안료

그레이연화

석탄금속분

형석

천연고무

카오린

탄산칼슘

과염소산

광석분

실리카

설탕

암모니아비료

코우크스

규조토

분말소화제

염료

후라이애쉬

금속산화물

금속합성나료

프라스틱

수지

규산염

전분

스테아린

탄닝산

활성탄

카본블랙

청정제

*반응기로부터

직접 증기와

반응물이 들어

올 경우

분밀크

비누분

비

고

일반적으로

물리적 화학적

안정상태

흡습성, 승화성 또는 중합성등, 물

리화학적 불안정한 물질이 함유된

경우

집진기의 설치 용도 보정치에 대한 변수 값

구 분 B1 값

집진기의 경우 82

포집의 경우 70

증기 또는 반응물 동반 경우 58.1

- 53 -

먼지의 입도 보정치에 대한 변수 값

구 분 D1 값

먼지 입도 3 이하

먼지 입도 3～10

먼지 입도 10～50

먼지 입도 50～100

먼지 입도 100～150

먼지 입도 150～200

2.4

2.68

2.7

3.3

3.6

3.8

먼지의 농도 보정치에 대한 변수 값

구 분 E1 값

먼지 농도 5g 이하

먼지 농도 5g～10

먼지 농도 10g～20

먼지 농도 20g～40

먼지 농도 40g～70

먼지 농도 70g～90

먼지 농도 90g～170

먼지 농도 170g～240

34

38

40

42

44

45

47

48

r'a=1.2931×273

273+t×0.968(kg/㎥)

ra = 표준 공기 비중량 (1.2) (kg/㎥)

ra = 건공기 비중량(kg/㎥)

D=D 13

(Fa)

D1= 입도 보정치에 대한 변수 값

- 54 -

E= (E 138

) -0.9(Fa)

E1 = 농도 보정치에 대한 변수 값

위의 A․B․C․D․E로서 여과속도 Vf를 구한다.

∴ Vf = A․B․C․D․E (m/min)

③ 여과포 재질 선정 기준

여과포(Filter bag)를 선정할 때 강도를 충분히 고려해야 하는데 강도는

크게 물리적 강도와 화학적 강도로 구분한다. 물리적 강도에는 인장 강도,

파열 강도, 평면 마모 강도, 굴곡 마모 강도가 있고 화학적 강도에는 내약

품성과 내열성이 있다. 이외에도 여과포를 선정할 때 다음 사항을 고려해

야 한다.

○ 집진 효율이 좋은 것

○ 압력 손실이 낮고 안정되어 있는 것

○ 치수 안정성이 좋은 것

○ 가격이 안정되어 있는 것

○ 박리가 좋은 것

또한 여과포 선정시 검사 사항으로는 처리 가스의 온도, 먼지의 마모성,

처리 가스의 성분, 먼지의 대전성, 처리 가스의 부착성, 여과 속도, 처리

가스의 수분율, 송풍기 정압, 먼지의 입도 분포, 집진 방식(장치의 특성)

등이 있다.

다음 표 1.16은 각종 여과포의 특성과 가격비를 비교한 것이다.

- 55 -

각종 여과포의 특성과 가격비

항 목최고상용

온도(℃)내산성 내알카리성 강도 흡습성(%) 가격비

목 면 80 불가 우수 1.0 8.0 1.0

양 모 80 양호 불가 0.4 1.6 6.0

사 란 80 양호 불가 0.6 0.0 4.0

데비론 95 우수 양호 1.0 0.4 2.2

비닐론 100 우수 양호 1.5 5.0 1.5

카네카론 100 우수 양호 1.1 0.5 5.0

오 론 150 우수 불량 1.6 0.4 6.0

나일론

(아미드)110 양호 양호 2.5 4.0 4.2

나일론

(에스테르)150 우수 불량 1.6 0.4 6.5

데트론 150 우수 불량 1.6 0.4 6.5

초자섬유 250 우수 불량 1.0 0.0 7.0

*출처:환경부, 대기관리(전문가과정), 1999

④ 여과 집진기의 주요 구성 요소

여과 집진기의 구성 요소를 소개하고 관련 주요 부품들에 대한 작동 원

리 및 기능 등을 파악해 본다.

ⓐ 압축 공기 분배기(Air header)

압축 공기 분배기는 공기 압축기(Air compressor)에서 제조된 고압의 공

기를 다이아프램 밸브에서 순간 대유량으로 여포를 세정할 수 있도록 압

축 공기(5～7kg/㎠)를 저장하므로써 공기의 헌팅(Hunting)을 최소화할 수

있게 하는 역할을 한다. 부속으로는 다이아프램 밸브를 조립하기 위한 소

켓과 배출 마개(Drain cock)가 부착되어 있다.

- 56 -

(그림 1.26) 압축공기 분배기(Air header)

ⓑ 블로우 튜브(Blow tube)

블로우 튜브는 고압의 공기를 순간적으로 분출시키는 노즐로서 벤츄리

상부에 일정 거리를 두고 고정시키며, 구멍은 여과포의 크기에 맞추어 가

공한다.

ⓒ 벤츄리(Venturi)

벤츄리는 알루미늄 합금 다이케스팅(Die-casting) 제품으로서 튜브 시트

(Tube sheet)에 벤츄리 푸셔(pusher)에 의해 고정된다. 탈진시 바로 상부

에 설치된 블로우 튜브로부터 고압의 공기가 순간적으로 분사되면 벤츄리

효과에 의해 분사 공기량의 약 2～3배의 2차 공기를 함께 끌어들이게 되

고, 그 순간 펄싱에 의한 충격과 여포의 기공을 통해 외부로 빠져 나가는

공기에 의해 부착된 분진이 탈락하게 된다.

- 57 -

(그림 1.27) 벤츄리 효과에 의한 탈진 모습

ⓓ 여과포(Filter bag)

여과 집진기의 가장 중요한 부분으로 입구 가스 조건 및 온도, 집진 대

상의 사양에 따라 종류가 결정된다. 형상도 여러 가지 종류가 있지만 현

재 원통형이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 내부에는 지지대(Retainer)

를 삽입하여 가동 중에 그 형상을 유지시켜 준다.

ⓔ 백 케이지(Bag cage)

이것은 여과포에서 분진을 집진할 수 있도록 여포 내부 보강 및 지지 역

할을 하는 것으로서 여포과 같은 모양으로 만들어지며 철선 또는 스테인

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레스(SUS)선으로 제작된다.

풍량 및 용도에 따라 다양하게 적용되며 바닥 부분은 마개(Cap)로 막혀

있고 상부는 벤츄리의 조립에 용이하도록 굴곡 및 신축성 있게 설계되어

있다.

(그림 1.28) 여과포에서의 집진 및 탈진 모습

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(그림 1.29) 벤츄리 튜브가 취부된 백 케이지(Bag cage) 모습

ⓕ 여과 집진기 본체(Bag filter body)

상부에는 출입구(맨홀 형태)가 설치되어 보수 및 여포 교환시 이용될 수

있으며, 호퍼에는 각 실마다 맨홀이 설치되어 있다.

입․출구 덕트에 댐퍼(damper)가 설치되어 있어 탈진시 탈진 대상 실(chamber)을 밀폐시켜 탈진이 용이하게 하였으며, 운전 중에도 각 실에

문제가 생겼을 경우 보수가 가능하다. 문제가 생긴 실을 점검할 경우 호

퍼 하부에 설치된 슬라이드 게이트(Slide gate)를 닫아야 다른 실로의 외

기 유입을 막을 수 있다.

ⓖ 먼지 배출 장치(Dust discharge system)

여과 집진기 호퍼의 하부에는 스크류 컨베이어(Screw conveyor)가 설치

되어 있어 탈진된 먼지를 이송시키고 로타리 밸브(Rotary valve) 등을 통

하여 외부로 배출한다. 이러한 회전 기기들은 기밀 유지가 잘 되어야 하

고 소석회와 같은 응고하기 쉬운 물질이 사용되는 설비에서는 가열과 보

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온이 잘 되어야 한다.

ⓗ 다이아프램 밸브(Diaphragm valve)

솔레노이드 밸브(Solenoid valve)의 순간 작동으로 다이아프램 밸브

(Diaphragm valve)가 압축 공기를 분출시켜 다량의 고압 공기를 블로우

튜브(Blow tube)에 순간적으로 불어 넣어주는 역할을 하며, 알루미늄 합

금 다이케스팅(Die-casting) 제품으로서 내부에 다이아프램이 내장되어 있

으며 에어 헤더(Air header)에 취부된다.

ⓘ 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)

펄스 타이머(Pulse timer)의 순간적인 전원을 받아 솔레노이드 밸브를 동

작시켜 다이아프램 밸브의 공기를 분출시켜 여과 집진기를 세정하도록 하

는 설비로 펄스 타이머와 연계되어 있다.

ⓙ 에어 유니트(Air unit)

에어 서비스 유니트(Air service unit)는 압축기에서 제조된 고압의 공기

를 에어 헤더에 통과시키기 전 수분이나 기타 불순물을 제거하고 펄싱에

필요한 공기압을 유지시켜주는 기기이다. 소요 압축 공기량 및 압축기와

집진기 와의 거리에 따라 용량이 결정되며 설치 위치는 집진기 근처에 점

검이 용이한 위치에 설치한다.

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(그림 1.30) 에어 유니트(Air unit)

ⓚ 타이머(Timer)

타이머는 순간적으로 여포를 탈진하기 위하여 전기 신호로 솔레노이드

밸브를 동작시켜 압축 공기의 제트 펄스(Jet-pulse)를 발생케 하는 역할을

하는 부품이다.

타이머의 동작 시간은 대체로 0.05～0.3초까지 조정이 가능하고 동작 시

간의 조정은 타이머 보드 우측 상단에 있는 펄스 듀레이션 납(Pulse

duration knob)으로 조정한다. 펄스 주기는 우측 상단 프레퀀시 납

(Frequency knob)으로 조정(3～60초)하며 주기를 과도히 짧게 하는 것은

압축 공기의 소비 증가 뿐 아니라 여포의 마모를 촉진하는 결과를 초래하

고, 주기를 너무 길게 하면 여포의 탈진 효율을 감소시키기 때문에 효과

적인 설정이 필요하다.

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◎ 대기 배출시설 및 방지시설의 적용 사례

다음은 시멘트 제조공정 중 대기 배출시설 및 방지시설의 적용 사례

(Case)를 소개한 것으로서 여과집진기(Bag House)의 크기 및 규모를 결정

할 경우 도움이 되기 바란다.

○ 배출시설 및 방지시설 내역

배출

시설명원료 및 원료 사용량 용 량 수량

방지

시설명용 량 수량

소성시설

유연탄 : 19,120kg/시간

코크스 : 1,440kg/시간

폐타이어 : 1,495kg/시간

중유(C) : 2,000kg/시간

정제유 : 2,000kg/시간

1,149㎥ 1

여과집진

시설

5,000~15,000

㎥/분

1

분쇄시설 3,217HP 1

선별시설 200HP 1

소각시설

경유 : 6.4kg/시간

폐유류 : 27.2kg/시간

폐합성수지류:24.6㎏/시간

폐지및폐목류:10.3㎏/시간

150

kg/시간1

○ 방지시설 설계

여과집진시설(Bag House)의 규모 및 형식를 결정하기 위한 설계를 수행

한다.

① 형식 : Pulse Air Jet Type(간헐식)

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② 방지기기의 선정

배출시설오염물질

종류 및 량

인입가스

농 도

방지

효율

배출가스

농 도

배출허용

기 준

소성시설

분쇄시설

가스량

온 도

먼 지

10,000㎥/min

150 ℃

140g/S㎥

99.9%

이상10 mg/S㎥ 50mg/S㎥

③ 규 격

․ 외형규격 : 22,700L×12,826W×27,820H ․ 여과면적 : 9,174/8,257㎡(Gross/Net) ․ 여과속도 : 1.09/1.21m/min(Gross/Net) ․ 여 과 포 : 재질 - 폴리에스테르 펠트(Polyester felt) 규격 및 수량 - 156Ø×5,200LG×3,600EA

․ 탈진방법 : 압축공기 탈진방식 ․ 탈진주기 : 300sec ④ 재 질

․ 집진기 본체 : SS41, 4.5t Steel Plate ․ 여과포 : P-84 Felt, 제전, 발수, 발유 ․ Bag Cage : SWRM, Ø4×14Wire ․ Diaphragm Valve : 65A, Aluminum Diecasting ⑤ 부대시설

․ 압축공기 공급 : Compressor Room 신설 후 인출 ․ 포집먼지 제진장치 : Rotary Valve(10sets) Screw Conveyor(2sets)

Common Conveyor(1set)

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⑥ 송풍기

․ 형 식 : 터보 형(Turbo Type) ․ 정 압 : 40mmAq ․ 축동력 : 1,100Kw×6P ․ 효 율 : 75%(여유율 20%)

다. 전기집진기 선정 및 운전에 영향을 주는 요소

다음에 소개하고 있는 것은 일반적으로 알려진 전기집진기에 영향을 주

는 인자(Factor)들이며, 환경 관리자는 분진 처리효율 상승을 위해 아래에

소개하고 있는 인자들을 반드시 숙지하여야 한다.

(1) 함진 농도

함진 농도가 높게 되면 인가 전압이 일정한 경우 코로나 전류는 감소한

다. 따라서 일정한 코로나 전류를 흐르게 하기 위해서는 인가 전압을 높

게 해야 한다.

또한 전기 집진기에서는 입구 쪽에 가까울수록 처리 가스 내의 분진 농

도가 높아서 코로나 전류가 상대적으로 감소하기 때문에 입구에서는 제거

해야 할 분진의 대전이 어렵다.

제거 분진의 대전은 집진에 충분한 정도가 되도록 하기 위하여 즉 분진

최적 충전에 필요한 총분한 코로나 전류를 공급하기 위하여 이 부위의 전

압을 올려 주어야 한다.

반대로 전기 집진기 출구 쪽은 처리 가스 분진 농도가 점차적으로 적어

지므로 비교적 자유스럽고 많은 코로나 전류가 흐르게 된다. 따라서 입구

쪽에 비해서 출구 쪽의 방전 횟수가 많아지고, 이로 인한 순간적 전계 손

실이 발생되어 분진 대전에 장애가 심해진다.

입자경이 작은 분진은 대개 출구 쪽에서 포집되는데 이들 분진이 고비저

항일 때는 출구 쪽의 전압을 고전압으로 해야만 이들을 집진할 수 있다.

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따라서 전기 집진기는 집진 효율을 증가시키기 위해서 처리상 흐름과 분

진 농도에 따라 집진기를 전기적 특성에 따라 몇 개의 단위 집진실로 구

획하여 제작하는 것이 효율면에서 유리하다.

(2) 입자경과 물리적 성질의 영향

입자경이 작으면 대전 전하량은 작아지며 집진극으로의 이동 속도가 느

리게 되므로 집진 효율이 감소한다. 입자경이 작으면 기계적 부착력과 전

기적 부착력이 모두 강해진다.

입자의 응집은 전기 집진기의 성능 향상 역할을 하나, 미세한 입자는 부

착력이 강하므로 집진극에서의 고착 등의 문제 발생 우려가 있어 집진기

의 성능 저하 원인이 되므로 주의가 필요하다. 또한 먼지의 부착은 고온

이 됨에 따라 저하되어 먼지의 유동이 증가하는 것으로 알려져 있다.

(3) 가스 온도

처리가스 온도가 150～160℃ 이하이거나 약 250℃ 이상에서는 분진 입자

의 전기비저항이 1011Ω-cm 이하가 된다.

150～160℃ 이하의 경우는 온도가 낮아질수록 가스의 상대 습도가 높아

져 분진 입자 표면에 수분이 응축으로 인해 전하의 전도도가 증가되어 전

기비 저항이 낮아지며, 250℃ 이상은 분진 입자 내의 분자가 반도체적 물

성을 띄게 되어 전기 전도도가 증가(체적 전도의 증가)한다. 따라서 집진

기 처리 가스 온도는 150℃ 정도 이하이거나 250℃ 정도 이상이 집진 작

용에 유리함을 알 수 있다.

(4) 분진의 겉보기 고유 전기 저항

집진극에 포집된 먼지는 가스 중으로 다시 날아가는 것을 방지하기 위하

여 충분한 접착력, 응집력, 그리고 전기력이 존재해야 한다.

각종 산업 현장에서 발생하는 분진의 특성에 따라 전기 저항치는 10-3～

1014Ω-cm의 범위인데 입자의 겉보기 고유 전기 저항은 입자의 하전 능력

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을 좌우한다. 산업 공정에서 발생하는 먼지들의 비저항은 집진 가능한 범

위에 있어야 한다. 보통은 104～1010 Ω-cm 범위에 있으며, 이 범위를 벗어

나면 집진 효율은 저감된다. 특히 시멘트용 분진은 특성상 전기저항도가

높은 편에 속한다. 참고로 전기집진기의 저항 범위에 따른 특성은 다음과

같다.

① 104 Ω-cm 이하

전기비 저항이 낮아 집진극에 집진된 입자가 전자를 쉽게 흘려 보내기

때문에 부착력을 잃어 입자가 집진극으로부터 재비산이 일어난다.

② 104~1010 Ω-cm

포집 입자가 적당한 전하를 가지고 일정 속도로 집진이 이루어지므로

이상적인 집진이 일어난다.

③ 1011 Ω-cm 이상

전기비 저항이 높아 포집 분진층의 양끝 사이에 전위차가 높아지게 되

고 이 부분에서 절연 파괴를 일으킨다. 여기에서 역전리(Back corona)가

일어나고, 이로 인해 스파크(Spark)를 자주 일으켜 집진율의 저하를 초래

한다.

다음은 정류테스트 절차를 소개하고 있는 것으로 이는 전기집진기의 처

리효율과 관련한 성능을 평가하는 척도로 사용되고 있으며, 전기집진기

신규 설치 후나 가동 중에 반드시 평가토록 하여 관리 및 점검에 활용하

여야 한다.

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① 정류 테스트 준비

․집진기, 부속 장치, 정상 설치 여부 확인․내부 접근을 위한 맨홀과 안전 장치 확인․정류 테스트기(Anemomaster) 점검 및 준비․테스트 인원 점검

② 정류 테스트 실시

․측정점 선정전기 집진기 내부 단면 등분포 구분하여 측정점을 선정

하되, 최대 측정점은 통상 높이 방향으로 10 points, 폭

방향으로 가스 통로(Gas passage) 당 1 point 선정함.

․송풍기 용량 조정․테스트 인원이 전기 집진기 내부에서 시험 실시․선정된 측정점에서 정류 테스트기(Anemomaster)로 내 부 유속 측정

․다음 식에 의해 "유속 편차(RMS value)"를 계산

여기서 n : 측정점 수

Vg : 평균 유속, m/sec

Vn : 각 측정점의 유속, m/sec

․유속 편차 기준치 이하시 가스 정류판 조정

③ 최종 판정

판정 기준 : σEP ≒ 0.2 ～0.3 (O.K)

④ 상업 운전

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(그림 1.31) 전기집진기 외형도(Ⅰ,Ⅱ)

라. 질소산화물 제어 장치

국내 시멘트 제조업체에서는 소성로에서의 불안정한 운전 조건으로 인해

가끔 기준치를 초과하여 질소산화물을 배출하고 있다.

따라서 국내 시멘트 제조업체에서는 질소산화물의 법적 배출 허용 기준

치 준수를 위해 선택적 비촉매 환원법(SNCR ; Selective Non-Catalytic

Reduction) 등을 설치하기 위해 준비하는 업체가 늘고 있다.

본 항에서는 이해를 돕기 위하여 촉매를 사용하는 선택적 촉매 환원법

(SCR : Selective Catalytic Reduction)과 비교하여 설명하기로 하며, 국내

의 시멘트 제조 시설 중 소성로에서의 질소산화물 법적 배출허용 기준치

를 소개하면 표 1.17과 같고, 산소농도(O2%)는 13%를 적용하고 있다.

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시멘트 제조시설 중 소성로에서의 NOx 배출허용기준

오염물질 배출시설적용기간 및 배출허용기준

2004년12월31일까지 2005년1월1일이후

질소산화물

(NO2로서)

시멘트․석회 및 프라스터 제조시설

증 소성로

350(13)ppm이하 350(13)ppm이하

일반적인 질소산화물(NOx)의 발생 특성 및 제거 시설은 다음과 같으며,

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