시멘트 제조 공정 의 환경 적 취약 투입 물 / 환경 오염물 파악 및 최적 종말 처리 공정 선정 
 Identification of the Environmentally Problematic Input / Environmental Emissions and Selection of the Optimum End - of - pipe Treatment Technologies of the Cement Manufacturing Process 
 doi : https : / / doi . org / 10 . 4491 / KSEE . 2017 . 39 . 8 . 449 
 Joo - Young Lee , Yoon - Ha Kim , Kun - Mo Lee 
 이주영 , 김윤하 , 이건모 
 기준 공정 과 개선 대상 공정 간 의 투 입물 ( Input , Material and energy ) , 배 출물 ( Output , Product , Co - product ) , 환경 오염물 ( Environmental emission ) 데이터 를 수집 하 고 공정 성과 를 분석 하 였 다 . 이 를 통해 환경 적 으로 주요 한 투 입물 과 환경 오염물 을 파악 하 였 다 . 제조 공정 의 투 입물 과 환경 오염물 간 의 상관관계 분석 을 통해 각 환경 오염물 에 대한 기여 도 가 큰 투 입물 을 파악 하 였 다 . 주요 환경 오염물 처리 시 , 경제 적 최적화 를 통한 종말 처리 공정 조합 을 선형 프로그래밍 기법 을 사용 하 여 규명 하 였 다 . 사례 연구 로 는 동일 한 형태 의 시멘트 를 생산 하 는 EU 와 국내 시멘트 제조 공정 을 선정 하 였 다 . 국내 시멘트 제조 공정 에서 는 석탄 이 주요 투 입물 로 , 먼지 , SOx 가 주요 환경 오염물 로 파악 되 었 다 . 제조 공정 의 투 입물 과 환경 오염물 간 의 다중 회귀분석 결과 석탄 > 원자재 > 석고 순 으로 CO 2 발생량 에 기여 도 가 큰 것 으로 나타났 다 . SOx 발생량 의 경우 석탄 의 기여 도 가 가장 컸으며 , Dust 발생량 의 경우 석고 > 원자재 순 으로 기여 도 가 큰 것 으로 나타났 다 . Dust 종말 처리 공정 최적화 에서 전기 집진 기술 100 %, 섬유 필터 기술 2 . 4 % 조합 이 최적 이 었 다 . SOx 종말 처리 공정 최적화 에서 는 건식 첨가 공정 기술 100 % 습식 세정 기술 25 . 88 % 조합 이 최적 이 었 다 . 이 연구 의 특징 은 제조 공정 에서 문제 가 되 는 주요 투 입물 과 환경 오염물 을 파악 하 는 방법 을 제시 하 였 다는 점 이 다 . 또한 , 기술 적 · 경제 적 으로 최적 의 조합 인 종말 처리 공정 선정 방법 을 제시 하 였 다는 점 이 다 . 
 Process input data including material and energy , process output data including product , co - product and its environmental emissions of the reference and target processes were collected and analyzed to evaluate the process performance . Environmentally problematic input / environmental emissions of the manufacturing processes were identified using these data . Significant process inputs contributing to each of the environmental emissions were identified using multiple regression analysis between the process inputs and environmental emissions . Optimum combination of the end - of - pipe technologies for treating the environmental emissions considering economic aspects was made using the linear programming technique . The cement manufacturing processes in Korea and the EU producing same type of cement were chosen for the case study . Environmentally problematic input / environmental emissions of the domestic cement manufacturing processes include coal , dust , and SOx . Multiple regression analysis among the process inputs and environmental emissions revealed that CO 2 emission was influenced most by coal , followed by the input raw materials and gypsum . SOx emission was influenced by coal , and dust emission by gypsum followed by raw material . Optimization of the end - of - pipe technologies treating dust showed that a combination of 100 % of the electro precipitator and 2 . 4 % of the fiber filter gives the lowest cost . The SOx case showed that a combination of 100 % of the dry addition process and 25 . 88 % of the wet scrubber gives the lowest cost . Salient feature of this research is that it proposed a method for identifying environmentally problematic input / environmental emissions of the manufacturing processes , in particular , cement manufacturing process . Another feature is that it showed a method for selecting the optimum combination of the end - of - pipe treatment technologies . 
 점점 진화 하 고 있 는 청정 생산 의 미래 는 ‘ 지속 가능 한 소비 생산 을 기반 으로 한 청정 시스템 ’ 을 추구 하 게 될 것 으로 전망 되 고 있 다 . 여기 서 청정 생산 이란 , 인간 과 환경 에 대한 위험 을 최소 화 하 고 환경 ․ 경제 효율 성 을 높이 기 위하 여 서비스 , 공정 , 제품 에 대한 종합 적 이 고 예방 적 인 환경 전략 을 지속 적 으로 적용 하 는 활동 을 말 한다 . 
 청정 생산 분야 가운데 청정 공정 분야 는 기존 생산 공정 의 혁신 적 개선 을 통해 환경 오염물 발생 을 완전 제거 또는 획기 적 저감 을 기하 는 분야 로 정의 된다 . 특히 , 제조 시스템 을 경제 적 · 환경 적 으로 고 효율 화 하 는 분야 가 주목 받 고 있 다 . 청정 생산 을 위한 제조 공정 의 청정 화 , 즉 오늘날 우리 사회 는 제조 공정 의 최적화 를 통한 청정 생산 공정 이 필수 불가결 한 사회 로 변화 하 고 있 다 [ 1 , 2 ] . 
 청정 생산 공정 을 위해 환경 오염물 이 다량 배출 되 는 제조 공정 의 주요 환경 오염물 에 대한 연구 가 활발히 수행 되 고 있 다 . Deborah 등 [ 3 ] 은 Portland cement 제조 공정 에서 전통 적 인 시멘트 제조 방식 과 Blended , Recycled Cement kiln dust ( CKD ) , CO 2 sequestration 등 대안 제조 공정 들 의 환경 성 을 전 과정 평가 ( Life Cycle Assessment , LCA ) 를 통해 비교 하 였 다 . Razuana 등 [ 4 ] 은 재 활용 플라스틱 을 통한 플라스틱 수지 생산 설비 에서 청정 생산 전략 평가 를 통해 연구 공장 , 전기 사용 , 고형 폐기물 배출 , 경유 사용 등 네 가지 옵션 에서 의 이산화 탄소 저감 에 대해 연구 하 였 다 . 박 등 [ 5 ] 은 원료 투 입물 대체 방법 으로써 용융 슬래그 를 시멘트 클링커 제조 용 주원료 로 사용 하 기 위해 전 과정 평가 를 활용 함 으로써 시멘트 소성로 내 탈 탄산 과정 에서 발생 하 는 이산화 탄소 의 양 을 저감 하 기 위한 청정 기술 적용 을 수행 하 였 다 . 또한 , Karkoszka [ 6 ] 는 종말 처리 공정 최적화 를 통해 환경 적 인 위험 성 을 최소 화 하 는 방법 을 연구 하 였 다 . 
 주요 환경 오염물 저감 에 관한 연구 외 에 그 에 따른 경제 적 인 비용 절감 에 대한 연구 들 도 수행 되 고 있 다 . Irina 등 [ 7 ] 은 운송 단계 의 총 물류비용 과 그 환경 영향 사이 의 관계 를 이산화 탄소 배출 량 에 대한 새로운 모델링 기반 을 통해 제시 하 였 다 . Till 등 [ 8 ] 은 EU 의 Industrial Emissions Directive ( IED ) 에서 제시 하 는 사례 중 화력 발전소 에 탈질 소산 화물 시설 을 새로 설치 할 때 발생 하 는 환경 적 이익 을 비용 - 이익 분석 ( Cost - benefit analysis , CBA ) 을 통해 비교 · 분석 하 였 다 . 공 등 [ 9 ] 은 국내 환경 기술 수준 과 EU BAT ( Best Available Techniques ) 도입 시 비용 사례 분석 에 관한 연구 에서 제조 공정 간 의 경제 적 인 분석 을 시도 하 였 다 . 이 때 , EU 의 경우 평균 개념 의 배출 기준 을 사용 하 는데 , 국내 배출 기준 의 경우 피크 치 ( Peak value ) 개념 을 사용 하 기 때문 에 국내 배출 허용 기준 을 EU BAT 수준 으로 관리 하 기 위해서 는 많 은 비용 투자 가 필요 함 을 들 어 EU BAT 의 경제 적 도입 을 연구 하 였 다 . 
 이 처럼 종말 처리 공정 기술 을 제조 공정 에 적용 할 경우 발생 하 는 비용 을 절감 하 기 위한 연구 들 도 선행 되 었 다 . 환경 오염물 을 처리 하 는 종말 처리 공정 도입 시 발생 하 는 환경 적 비용 을 산정 하 는 연구 들 도 수행 되 고 있 다 . 선행 연구 들 은 오염물 배출 량 이 많 은 부분 을 도출 하 여 개선 하 는 연구 와 제조 공정 에 종말 처리 공정 기술 을 도입 할 때 발생 하 는 경제 적 비용 절감 에 관한 연구 로 구분지 어 수행 되 고 있 다 . 그러나 경제 적 · 기술 적 문제 를 동시 에 고려 하 여 주요 환경 오염물 처리 와 경제 적 비용 을 동시 에 최적 화 하 는 연구 는 활발히 수행 되 고 있 지 못한 상태 이 다 . 
 따라서 이 연구 의 목적 은 제조 공정 의 주요 투 입물 과 환경 오염물 을 체계 적 으로 파악 하 고 , 기술 적 · 경제 적 으로 최적 화 된 종말 처리 공정 조합 선정 방법 을 제시 하 는 것 이 다 . 구체 적 연구 목적 으로 는 첫째 , 제조 공정 의 투 입물 과 배 출물 간 의 관계 분석 을 통해 주요 투 입물 과 환경 오염물 배 출물 을 파악 하 고 , 둘째 , 주요 환경 오염물 을 처리 하 는 종말 처리 공정 간 의 최적 조합 선정 방법 을 제안 하 는 것 이 다 . 
 동일 한 제품 ( 동일 한 기능 을 수행 하 는 제품 ) 을 생산 하 는 국내 소재 제조 사업장 과 EU ( European Union ) 소재 제조 사업 장 을 각각 1 개소 를 선정 하 여 각 사업장 의 투 입물 ( Input , Material and energy ) , 배 출물 ( Output , Product , co - product ) , 환경 오염물 ( Environmental emission ) 및 종말 처리 기술 ( End - of - pipe technologies ) 데이터 를 수집 , 분석 하 였 다 . 국내 소재 공정 을 개선 대상 공정 ( Target process ) 으로 , EU 소재 공정 은 기준 공정 ( Reference process ) 으로 명명 하 였 다 . EU 사업 장 의 경우 직접 적 으로 데이터 를 얻 기 가 불 가능 하 여 , 관련 문헌 을 통해 얻 은 평균 값 을 1 개 사업 장 의 데이터 로 가정 하 여 진행 하 였 다 . 
 개선 대상 공정 의 주요 환경 오염물 을 파악 하 기 위해 제조 공정 ( 설비 포함 ) 의 투 입물 , 배 출물 및 환경 오염물 데이터 를 문헌 연구 를 통하 여 수집 하 였 다 [ 10 ] . 대상 제품 으로 는 시멘트 ( Portland cement I ) 를 선정 하 였 다 . 시멘트 1 kg 을 기능 단위 로 선정 하 였으며 , 기준 공정 과 개선 대상 공정 의 투 입물 , 배 출물 , 환경 오염물 데이터 를 기능 단위 기준 으로 정규 화 하 였 다 . 
 시멘트 ( Portland cement I ) 제조 공정 에 관한 정보 는 수집 가능 한 물질 정보 위주 로 수집 하 였으며 그 외 수집 이 불 가능 한 정보 는 제외 하 였 다 . EU IED 의 시멘트 산업 BAT 연구 를 참조 하 여 [ 11 ] 수집 대상 투 입물 지표 로 는 원자재 ( Raw material *), 석고 ( Gypsum ) , 전기 ( Electricity ) , 석탄 ( Coal ) 을 , 배 출물 및 환경 오염물 지표 로 는 시멘트 ( Portland cement I ) , CO 2 , NOx , SOx , Dust 를 각각 선정 하 였 다 . 
 시멘트 세부 제조 공정 인 채 광 및 조쇄 ( Quarry and Crush ) 부터 시멘트 분쇄 및 출하 ( Finish grinding ) 까지 전 공정 을 하나 의 시멘트 제조 공정 으로 통합 하 여 데이터 수집 및 문헌 연구 를 실시 하 였 다 . Ewan 등 [ 12 ] 은 시멘트 제조 공정 을 대상 으로 기존 EU LCI DB ( Life Cycle Inventory Database ) 의 구축 현황 을 조사 , 비교 분석 하 였 다 . 이 자료 를 토대 로 시멘트 제조 공정 의 운전 및 배출 데이터 를 수집 하 였 다 . 또한 Ecoinvent , ELCD ( European reference Life Cycle Database ) 등 유럽 시멘트 협회 ( CEMBUREAU ) 가 수행 한 시멘트 제조 공정 LCI DB 를 추가 로 수집 하 였 다 [ 13 ~ 15 ] . 이 문헌 들 에서 총 7 개 의 표본 을 수집 하 였 다 . 수집 된 표본 들 의 산술 평균값 을 각 지표 별로 도출 하 였 다 . 이 값 을 EU 소재 시멘트 1 개 제조 사업장 의 데이터 로 가정 하 였 다 . 
 국내 시멘트 제조 공정 의 투 입물 데이터 의 경우 , 한국 환경 산업 기술원 ( KEITI ) 에서 LCI DB 구축 당시 Portland CEMENT I 을 생산 하 는 국내 대표 기업 인 S 기업 의 데이터 를 활용 하 였 다 . 배출 량 데이터 는 S 기업 의 단일 데이터 를 얻 지 못하 여 , 강원도 강릉 , 동해 , 영월 과 충북 단양 소재 의 국내 시멘트 제조 공장 들 의 데이터 평균 값 인 ( S 기업 의 데이터 값 포함 ) 국내 시멘트 LCI DB 상 의 단일 값 을 활용 하 였 다 [ 16 ] . 실제 1 개 사업장 에 대한 이상 적 인 데이터 를 활용 하 여 연구 를 설계 하 고자 하 였으나 , 데이터 수집 이 어려워 수집 가능 한 데이터 를 토대 로 1 개 제조 공정 의 데이터 를 가정 하 였 다 . 개선 대상 공정 과 기준 공정 간 의 투 입물 , 배 출물 , 환경 오염물 의 투입 및 배출 효율 차이 를 규명 하 기 위해 저자 가 개발 한 gap 분석 방법 을 사용 하 였 다 [ 17 ] . gap 분석 방법 은 아래 설명 한 바 와 같 다 . 
 Fig . 1 에 나타낸 제조 공정 의 투 입물 , 배 출물 , 및 환경 오염물 간 의 제조 공정 모식도 를 토대 로 ith 제조 공정 의 X ( Input random variable ) 와 Y ( Output random variable ) 값 을 도출 하 였 다 . 
 Manufacturing process diagram . 
 mij , mik 값 을 i 번 째 제조 공정 의 주요 산물 ( Major product ) 무게 로 나누 어 정규 화 하 였 다 . 나눈 값 을 식 ( 1 ) , ( 2 ) 에 나타낸 바 와 같이 aij , aik 로 정의 하 였 다 . 
 따라서 aij , aik 는 각각 ith 공정 기준 j 번 째 물질 의 투입 계수 , k 번 째 물질 의 배출 계수 이 다 . 
 개선 대상 공정 과 기준 공정 지표 모두 각 공정 의 주요 산물 단위 무게 기준 으로 정규 화 되 어 있 기 때문 에 각 공정 별 투입 계수 , 배출 계수 를 이용 하 여 그 차이 ( ∆ i ( gap ) ) 를 식 ( 3 ) , ( 4 ) 에 나타낸 바 와 같이 산정 하 였 다 . 
 각 공정 의 ∆ i ( gap ) 값 을 EU 의 투입 및 배출 계수 로 각각 나누 어 정규 화 된 ∆ i ( gap ) 을 구하 였 다 . 정규 화 된 ∆ i ( gap ) 값 이 큰 j , k 를 제조 공정 에 대한 주요 투 입물 과 환경 오염물 로 정의 하 고 , 이 를 개선 대상 으로 도출 하 였 다 [ 17 ] . 여기 서 주요 투 입물 이란 , 공정 내 투 입량 이 많 거나 환경 오염물 배출 을 유발 하 는 주 원인 이 되 는 물질 로 , 환경 적 개선 대상 으로 분류 할 수 있 는 투 입물 을 말 한다 . Gap 분석 방법 의 경우 기준 공정 과 개선 대상 공정 간 의 차이 를 기준 공정 대비 정규 화 를 통해 그 차이 를 분석 하 는 방법 이 다 . 
 제조 공정 의 투 입물 과 환경 오염물 간 의 다중 회귀분석 을 통해 각 환경 오염물 에 대한 투 입물 의 기여 도 를 파악 하 였 다 . SPSS ( Statistical Package for the Social Sciences ) 소프트웨어 를 통해 다중 회귀분석 을 실행 하 였 다 [ 18 , 19 ] . 식 ( 5 ) 를 이용 하 여 산출 된 회귀 계수 를 통해 각 환경 오염물 ( 종속 변수 ) 에 투입 물 ( 독립 변수 ) 들 이 미치 는 기여 도 를 파악 하 였 다 . 
 상수항 ( B 0 ) 은 회 귀식 의 Y 절편 값 이 며 비 표준 화 계수 ( B ) 는 회 귀식 에서 의 회귀 계수 ( Bn ) , 유 의 확률 ( p ) 은 해당 비 표준 화 계수 의 통계 적 인 유의성 을 볼 수 있 는 척도 이 다 . 독립 변수 각각 의 단위 가 다르 기 때문 에 표준 화 계수 ( Beta ) 를 기반 으로 진행 하 였 다 . 표준 화 계수 란 독립 변수 들 의 회귀 계수 단위 ( e . g . kg 또는 kwh ) 를 통일 시킴 으로써 각각 의 계수 의 크기 나 부호 등 의 비교 를 할 수 있 도록 만든 수 치이 다 [ 20 ~ 22 ] . 
 앞서 파악 한 주요 환경 오염물 을 처리 하 기 위한 최적 의 종말 처리 공정 조합 선정 방법 에 는 선형기 획법 ( Linear programming ) 에 기초 한 심플렉스 법 ( Simplex method ) 을 사용 하 였 다 . 이 를 위하 여 환경 오염물 의 처리 요구량 에 관한 데이터 , 환경 오염물 을 처리 하 는 종말 처리 공정 기술 관련 데이터 ( 연간 제거 ( 처리 ) 가능 량 , 처리 효율 , 연간 총 유지 비용 등 ) 를 수집 하 였 다 . 개선 대상 공정 의 환경 오염물 처리 결정 변수 ( X 1 , X 2 , ... , Xn ) 와 기준 공정 의 연간 제거 가능 량 , 비용 정보 등 을 활용 하 여 목적 함수 Z 를 설정 하 였 다 . 설정 한 목적 함수 Z 와 제한 조건 들 을 통해 기술 적 · 경제 적 최적 종말 처리 공정 조합 을 선정 하 였 다 [ 23 ] . 
 이 연구 에서 제시 한 방법 을 적용 하 기 위한 사례 연구 대상 으로 동일 한 기능 ( 유사 제품 생산 설비 ) 을 수행 하 는 시멘트 제조 공정 을 선정 하 였 다 . 이 연구 의 시멘트 제조 공정 모식도 를 Fig . 2 에 제시 하 였 다 . 
 CEMENT I manufacturing process diagram . 
 시멘트 ( Portland cemen I ) 를 제조 하 는 기준 공정 과 개선 대상 공정 의 투 입물 , 배 출물 , 환경 오염물 데이터 를 수집 , 분석 하 였 다 . 수집 한 EU 와 국내 데이터 를 바탕 으로 1 톤 의 시멘트 를 생산 하 는 데 필요 한 투 입물 , 배 출물 , 환경 오염물 양 과 각 투입 물 , 배 출물 및 환경 오염물 양 을 1 톤 의 시멘트 를 기준 으로 산정 한 투입 및 배출 계수 를 Table 1 에 나타내 었 다 . 
 CEMENT I manufacturing process input , output data 
 국내 의 경우 EU 에 비해 석탄 사용량 이 많 고 , 그 외 투 입물 은 오히려 적 은 것 으로 나타났 다 . 그러나 CO 2 , NOx , Dust 등 의 환경 오염물 은 EU 에 비해 더 많이 발생 하 였 다 . 따라서 국내 시멘트 제조 공정 은 개선 이 필요 한 공정 이 라고 판단 하 였 다 . 
 기준 공정 인 EU 의 투입 계수 를 분모 로 하 여 정규 화 한 ∆ i ( gap ) / aij ( EU ) Raw material , Gypsum , Electricity , Coal 값 은 0 . 024 , 0 . 239 , 0 . 282 , - 3 . 500 이 었 다 . 한편 EU 의 배출 계수 를 분모 로 하 여 정규 화 한 ∆ i ( gap ) / aij ( EU ) CO 2 , SOx , NOx , Dust 값 은 - 0 . 275 , 0 . 417 , - 0 . 705 , - 28 . 820 이 었 다 . 
 국내 시멘트 제조 공정 에서 의 주요 투 입물 은 석탄 ( Coal ) , 주요 환경 오염물 은 먼지 ( Dust ) , 황산화물 ( SOx ) 로 파악 되 었 다 . 개선 대상 공정 의 투 입물 중 석탄 을 제외 한 기타 투 입물 사용량 은 기준 공정 인 EU 보다 적 었 으나 , 황산화물 을 제외 한 환경 오염물 은 더 많이 발생 하 였 다 . 이 는 국내 시멘트 제조 공정 의 경우 동일 한 양 의 시멘트 를 생산 할 때 , 환경 오염물 발생 원인 에 가장 큰 영향 을 미칠 것 으로 예상 되 는 석탄 이 기준 공정 대비 약 4 . 5 배 더 많이 사용 하 기 때문 인 것 으로 판단 된다 . 
 기준 공정 인 EU 시멘트 제조 공정 을 대상 으로 수집 된 투 입물 , 환경 오염물 간 상관관계 분석 에 필요 한 독립 변수 와 종속 변수 를 정의 하 였 다 . 독립 변수 는 X 1 ( Raw material ) , X 2 ( Gypsum ) , X 3 ( Electricity ) , X 4 ( Coal ) 를 , 종속 변수 는 Y 1 ( CO 2 ) , Y 2 ( SOx ) , Y 3 ( NOx ) , Y 4 ( Dust ) 를 선정 하 였 다 . 종속 변수 Y 1 , Y 2 , Y 3 , Y 4 와 4 개 의 독립 변수 들 간 의 상관 관계 를 회 귀식 식 ( 6 ) ~( 9 ) 에 나타내 었 다 . 
 각 종속 변수 에 대한 4 개 의 독립 변수 들 의 표준 화 계수 를 Table 2 에 나타내 었 다 . 
 Standard coefficient of dependent variables 
 Y 1 ( CO 2 ) 의 경우 X 4 ( Coal ) 의 기여 도 가 가장 크 게 나타났 다 . 시멘트 제조 공정 에서 석탄 은 대부분 소성 공정 연료 ( Fuel ) 로 사용 되 며 , 석탄 투 입량 이 증가 할수록 CO 2 배출 량 이 증가 한다 . 이 는 회귀분석 결과 와 일치 한다고 판단 된다 . X 1 ( Raw material ) 의 표준 화 계수 또한 0 . 386 으로 기여 도 가 높 게 나타났 다 . 소성 공정 에서 발생 한 가스 등 을 처리 하 는 하소 공정 에서 원자재 내 탄산칼슘 ( CaCO 3 ) 처리 시 물리 · 화학 적 반응 에 의해 CO 2 가 발생 되 기 때문 으로 판단 된다 . 
 Y 2 ( SOx ) 의 경우 X 4 ( Coal ) 의 기여 도 가 가장 크 게 나타났 다 . SOx 발생량 은 황 화합물 총 투 입량 과 사용 된 공정 유형 에 좌우 되게 된다 . X 4 ( Coal ) 내 황 성분 때문 에 Y 2 ( SOx ) 발생량 이 증가 한 것 으로 판단 된다 . BREF ( Best Available Techniques reference document ) 의 ‘ 시멘트 클링커 생산 시 원료 와 시멘트 혼 분 의 화학 분석 ’ 에 따르 면 황 함량 은 각 원료 별 최소 0 . 0 부터 최대 1 . 5 ( 질량 %) 로 낮 은 비율 을 보이 고 있 으므로 [ 11 ] , Y 2 ( SOx ) 에 대한 X 1 ( Raw material ) 의 기여 도 가 낮 게 나타난 것 으로 판단 된다 . 
 Y 3 ( NOx ) 의 경우 X 4 ( Coal ) 의 기여 도 가 가장 크 게 나타났 다 . NOx 는 연소 공기 내 열 NOx ( Thermal NOx ) 와 연료 에 포함 된 NOx ( Fuel NOx ) 로 구분 할 수 있 다 . 열 NOx 는 1 , 050 ℃ 이상 의 온도 에서 형성 되 므로 연소 구역 의 온도 와 공기 과잉 계수 가 높 아 질수록 발생량 이 증가 한다 [ 24 ] . 시멘트 제조 공정 에서 열 을 발생 시키 는 연료 는 크 게 재래식 화석 연료 및 폐기물 연료 이 다 . X 4 ( Coal ) 는 이 연료 중 하나 로 X 4 ( Coal ) 의 사용량 은 Y 3 ( NOx ) 발생량 에 큰 기여 도 를 가지 고 있 을 것 으로 판단 할 수 있 다 . 
 Y 4 ( Dust ) 의 경우 X 1 ( Raw material ) 의 기여 도 가 가장 크 게 나타났 다 . Dust 는 소성 ( Kiln ) , 원료 분쇄 및 혼합 ( Raw mill ) , 클링커 냉각 ( Clinker coolers ) , 시멘트 분쇄 및 혼합 ( Cement mills ) 등 다양 한 공정 에서 발생 된다 [ 9 ] . 원자재 투 입량 이 많 아 질수록 재료 저장 및 취급 량 이 상승 하 기 때문 에 기여 도 가 큰 것 으로 판단 된다 . 
 CO 2 에 대한 기여 도 는 석탄 > 원자재 > 석고 순 이 었 다 . SOx 와 NOx 에 대한 기여 도 는 석탄 이 가장 컸으며 , Dust 에 대한 기여 도 는 석고 > 원자재 순 이 었 다 . 이 들 상관관계 분석 결과 는 개선 대상 공정 의 주요 환경 오염물 처리 시 기여 도 가 큰 투 입물 을 파악 할 때 필요 한 정보 로 활용 될 수 있 다 . 
 파악 된 주요 환경 오염물 을 처리 하 는 종말 처리 공정 의 기술 적 · 경제 적 최적 조합 선정 을 위하 여 EU BREF 에서 제시 하 는 BAT 를 국내 시멘트 제조 공정 에 도입 할 시 , 최적 조합 을 선정 하 는 사례 연구 를 수행 하 였 다 . 이 를 위하 여 EU 25 개국 내 시멘트 제조 시설 1 곳 에 대한 종말 처리 공정 을 선정 하 였 다 . 시설 1 개 당 시멘트 생산량 은 EU 25 개국 평균값 인 998 , 134 . 33 ton / year 을 사용 하 였 다 . 
 시멘트 제조 공정 에서 주요 환경 오염물 로 판명 된 Dust 와 SOx 의 종말 처리 공정 기술 을 선정 하 였 다 . Dust 의 경우 에 는 전기 집진기 기술 ( 공기 스트림 에서 입자 상 물질 의 경로 에 정전 계 를 발생 시켜 입자 들 이 음 으로 대전 되 어 양 으로 대전 된 집 진관 쪽 으로 이동 하 게 하 는 기술 ) 과 섬유 필터 기술 ( 가스 는 투과 하 지만 먼지 는 투과 되 지 않 는 섬유 멤 브레인 을 사용 하 는 기술 ) 을 선정 하 였 다 . SOx 의 경우 에 는 건식 첨가 공정 기술 ( 석회 수화물 을 원료 성분 과 함께 원료 분쇄기 에 넣 거나 소성 로 공급 물 에 직접 첨가 하 여 SOx 를 포집 하 는 기술 ) , 습식 세 정기 기술 ( 석탄 연료 발전소 에서 배기가스 탈황 에 가장 널리 사용 되 는 기술 로 시멘트 제조 공정 에서 는 SOx 배출 량 을 저감 하 기 위한 습식 공정 이 정착 된 기술 ) 을 선정 하 였 다 . 
 EU 시멘트 제조 시설 1 개 에서 시멘트 를 생산 하 는 데 발생 되 는 Dust 와 SOx 의 양 을 각각 구하 였 다 . EU 시멘트 BREF 상의 BAT - AELs ( Emission Levels Associated with the Best Available Techniques , mg / m 3 ) 와 EU 시멘트 배출 가스 의 평균 체적 을 바탕 으로 BAT 수준 의 오염 물질 처리 후 배출 량 을 구하 였 다 . 발생량 과 배출 량 의 차이 를 처리 요구량 으로 산정 하 였으며 [ 19 ] , 그 결과 Dust 의 경우 1256 . 95 ton / year , SOx 의 경우 572 . 23 ton / year 로 산정 되 었 다 . 
 Dust 와 SOx 종말 처리 공정 기술 별 연간 오염 물질 처리 가능 량 은 Table 3 에 나타낸 바 와 같이 EU 시멘트 공장 1 개 설비 당 배출 되 는 Dust 와 SOx 의 양 과 기술 별 오염 물질 저감 효율 을 바탕 으로 산정 하 였 다 [ 20 ] . 
 Treatment capacity of Dust and SOx 
 EU 시멘트 제조 시설 1 개 에서 시멘트 를 생산 하 는 데 발생 하 는 Dust , SOx 의 종말 처리 공정 기술 별 연간 총 유지 비용 은 Table 4 에 나타낸 바 와 같이 연간 평균 시멘트 생산량 ( 998 , 134 . 33 t / y ) , 기술 별 평균 설비 투자 비 ( million EUR ) 및 기술 별 평균 운전 비용 ( EUR / ton cement ) 을 바탕 으로 산정 하 였 다 [ 21 ] . 
 Annual total cost of the pollutants treatment technologies 
 Dust 의 종말 처리 공정 기술 의 결정 변수 를 X 1 ( 전기 집진기 ) , X 2 ( 섬유 필터 ) 로 설정 하 였 고 , 총 비용 함수 인 목적 함수 Z 를 식 ( 10 ) 과 같이 설정 하 였 다 . 
 목적 함수 Z 를 최소 화 하 기 위한 제한 조건 설정 을 위해 각 Dust 종말 처리 공정 기술 의 연간 환경 오염물 제거 가능 량 , Dust 의 연간 처리 요구량 을 도출 하 였 다 . 전자 는 EU 시멘트 공장 1 개 설비 당 배출 되 는 Dust 의 양 과 기술 별 환경 오염 물질 저감 효율 을 바탕 으로 산정 하 였 다 . 후자 는 EU 시멘트 제조 시설 1 곳 에서 시멘트 를 생산 하 는 데 발생 되 는 Dust 의 양 과 EU 시멘트 BREF 상의 BAT - AELs , EU 시멘트 배출 가스 의 평균 체적 을 바탕 으로 BAT 수준 의 환경 오염물 처리 후 배출 량 을 구하 여 두 양 의 차이 를 제거 요구량 으로 산정 하 였 다 . 산정 결과 식 ( 11 ) 과 같 은 제한 조건 을 산정 하 였 다 . 
 Dust 종말 처리 공정 의 기술 적 · 경제 적 최적 조합 도출 결과 , 결정 변수 X 1 ( 전기 집진기 ) 은 1 , X 2 ( 섬유 필터 ) 는 0 . 024 로 도출 되 었 으며 , 이때 최소 비용 Z 는 2 . 23 * 105 EUR / y 로 도출 되 었 다 . 즉 , Dust 종말 처리 공정 조합 의 경우 전기 집진기 기술 100 % 용량 , 섬유 필터 기술 2 . 4 % 용량 을 채택 하 여 1 년 간 Dust 를 처리 했 을 때 최소 비용 2 . 23 * 105 EUR / y 가 최적 조합 으로 선정 되 었 다 . 
 같 은 방법 으로 SOx 의 종말 처리 공정 기술 의 결정 변수 를 X 3 ( 건식 첨가 공정 ) , X 4 ( 습식 세 정기 ) 로 총 비용 함수 인 목적 함수 Z 를 식 ( 12 ) 로 , 제한 조건 을 식 ( 13 ) 으로 각각 설정 하 였 다 . 
 SOx 종말 처리 공정 의 기술 적 · 경제 적 최적 조합 도출 결과 결정 변수 X 3 ( 건식 첨가 공정 ) 은 1 , X 4 ( 습식 세 정기 ) 는 0 . 2588 로 도출 되 었 으며 , 그 때 최소 비용 Z 는 1 . 88 * 106 EUR / y 로 도출 되 었 다 . 즉 , SOx 종말 처리 공정 조합 의 경우 건식 첨가 공정 기술 100 % 용량 , 습식 세 정기 기술 25 . 88 % 용량 을 채택 하 여 1 년 간 SOx 를 처리 했 을 때 최소 비용 1 . 88 * 106 EUR / y 가 최적 조합 으로 선정 되 었 다 . 
 이 처럼 EU BREFs 상의 BAT 등 기준 공정 에서 사용 하 는 종말 처리 기술 을 개선 대상 공정 에 도입 할 때 , 경제 성 뿐 만 아니 라 환경 성 까지 고려 하 여 최적 의 기술 활용 정도 를 파악 하 여 경제 적 · 환경 적 으로 최적 화 된 종말 처리 공정 조합 을 선정 할 수 있 다 . 이 는 환경 성 뿐 만 아니 라 경제 성 까지 동시 에 고려 한 최적화 결과 로써 의의 가 있 다고 판단 된다 . 
 이 처럼 EU BREFs 상의 BAT 등 종말 처리 기술 을 개선 대상 공정 에 도입 할 시 , 최적 의 기술 활용 정도 를 파악 하 여 기술 적 · 경제 적 으로 최적 화 된 종말 처리 공정 조합 을 선정 할 수 있 다 . Karkoszka [ 6 ] 의 연구 에서 는 환경 오염물 을 처리 하 는 새로운 기술 을 도입 하 여 종말 처리 공정 의 최적화 를 통해 환경 적 인 위험 성 을 최소 화 하 는 해결책 을 제시 하 는 과정 에서 경제 성 을 고려 하 지 않 았 지만 , 이번 연구 에서 는 환경 적 인 기술 적 문제 뿐 만 아니 라 경제 성 또한 고려 하 여 최적화 결과 를 도출 한 것 이 진일보 한 부분 이 라고 판단 된다 . 
 국내 시멘트 제조 공정 의 주요 투 입물 은 석탄 ( Coal ) , 주요 환경 오염물 은 먼지 ( Dust ) , 황산화물 ( SOx ) 로 파악 되 었 다 . 시멘트 제조 공정 의 환경 오염물 에 대한 투 입물 들 의 기여 도 를 파악 한 결과 , CO 2 의 경우 석탄 > 원자재 > 석고 순 으로 기여 도 가 큰 것 으로 나타났 다 . SOx 와 NOx 는 석탄 의 기여 도 가 가장 큰 것 으로 나타났 다 . Dust 는 석고 > 원자재 순 으로 기여 도 가 큰 것 으로 나타났 다 . 
 Dust 와 SOx 의 기술 적 · 경제 적 최적화 를 통한 종말 처리 공정 조합 을 선정 한 결과 , Dust 종말 처리 공정 조합 은 전기 집진기 기술 100 % 용량 , 섬유 필터 기술 2 . 4 % 용량 을 채택 하 여 1 년 간 Dust 를 처리 했 을 때 최소 비용 2 . 23 * 105 EUR / y 가 최적 조합 으로 선정 되 었 다 . SOx 종말 처리 공정 조합 은 건식 첨가 공정 기술 100 % 용량 , 습식 세 정기 기술 25 . 88 % 용량 을 채택 하 여 1 년 간 SOx 를 처리 했 을 때 최소 비용 1 . 88 * 106 EUR / y 가 최적 조합 으로 선정 되 었 다 . 
 이 연구 의 특징 은 제조 공정 의 주요 투 입물 과 환경 오염물 을 체계 적 으로 파악 하 였 다는 점 이 다 . 기준 공정 과 개선 대상 공정 의 투 입물 , 배 출물 , 환경 오염물 간 의 비교 를 통해 환경 적 으로 취약 한 물질 을 파악 하 였 다 . 투 입물 과 환경 오염물 의 상관관계 분석 을 통해 각 오염물 에 대한 기여 도 가 큰 투 입물 을 파악 하 여 제조 공정 을 분석 하 였 다 . 또한 , 파악 된 주요 환경 오염물 을 처리 하 기 위한 종말 처리 기술 도입 시 최적화 방법 을 적용 하 여 기술 적 · 경제 적 으로 최적 화 된 종말 처리 공정 조합 을 선정 하 는 방법 을 제시 하 였 다는 점 이 다 . 
 Raw material : 석회석 , 경석 , 비 산회 , 슬러 지 등 을 투입 하 여 건조 , 미분 쇄 과정 등 의 공정 을 거쳐 시멘트 반제품 인 크 링커 를 만드 는데 적합 하 도록 만든 원료 
 이 연구 는 한국 생산 기술 연구원 국가 청정 생산 지원 센터 의 ‘ 청정 서비스 운영 및 보급 기반 구축 ’ 사업 의 정부 용역 사업 ‘ 사업장 운전 및 배출 정보 분석 과 최 적 방법론 도출 연구 ’ 사업 의 연구비 지원 에 의해 수행 되 었 습니다 ( 사업 기간 : 2015 . 05 . 01 ~ 2016 . 02 . 29 ) . 
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 EU ( mij ) 
 aij ( EU ) 
 Korea ( mij ) 
 aij ( KOREA ) 
 Raw material 1 , 463 . 5 1 . 4635 1 , 429 . 0 1 . 4290 
 Gypsum 47 . 700 0 . 047700 36 . 300 0 . 036300 
 Electricity 138 . 80 0 . 13880 99 . 590 0 . 099600 
 Coal 23 . 400 0 . 023400 105 . 30 0 . 10530 
 Ouput EU ( mik ) aik ( KOREA ) Korea ( mik ) aik ( KOREA ) 
 Cement 1 , 000 . 0 1 . 0000 1 , 000 . 0 1 . 0000 
 CO 2 822 . 69 0 . 82269 1048 . 8 1 . 0488 
 SOx 2 . 4354 0 . 0024354 1 . 4189 0 . 0014189 
 NOx 0 . 6883 0 . 00069000 1 . 1737 0 . 0012000 
 Dust 1 . 2800 0 . 0012800 34 . 330 0 . 034300 
 X 1 ( Raw material ) 
 X 2 ( Gypsum ) 
 X 3 ( Electricity ) 
 X 4 ( Coal ) 
 Y 1 ( CO 2 ) 0 . 386 0 . 139 - 0 . 892 
 Y 2 ( SOx ) - 0 . 360 - - 0 . 592 
 Y 3 ( NOx ) 0 . 151 - - 0 . 980 
 Y 4 ( Dust ) 0 . 483 0 . 363 - - 
 Emissions ( ton / y ) 
 Treatment capacity ( ton / y ) 
 Dust Electric precipitator 1279 . 9 96 1228 . 71 
 Fiber filter 93 1190 . 31 
 SOx Dry addition process 687 60 412 . 21 
 Wet scrubber 90 618 . 31 
 Facility cost ( EUR ) 
 Operation cost ( EUR / ton cement ) 
 Annual total cost ( EUR / y ) 
 Dust treatment technologies Electric precipitator 2 . 1 * 106 0 . 08 2 . 18 * 106 
 Fiber filter 2 . 1 * 106 0 . 12 2 . 22 * 106 
 SOx treatment technologies Dry addition process 0 . 2 * 106 0 . 08 0 . 28 * 106 
 Wet scrubber 5 . 8 * 106 0 . 4 6 . 19 * 106