기고-이슈 보고서 (4) 

소다 석회규산염(soda lime silicate) 유리산업: 탄소배출 감축 전략 

이 원고는 산업통상자원부에서 시행하는 2025년 유리·요업업종 온실가스 감축연구회 지원사업을 통하여 한국유리산업협 동조합이 대한상공회의소와 협약을 체결하여 진행한 이슈페이퍼 사업 결과보고서입니다. 정부가 추진하고 있는 세라믹산 업의 탄소감축 정책 목표 달성에 참고자료료 활용되길 기대하며 한국유리산업협동조합(이사장 윤국현)으로부터 제공받아 2026년 1월호부터 연재로 게재합니다. <편집자 주>

목 차

1. 서론

2. 탄소 감축을 위한 선

2.1 연소 시스템

2.1.1 Air-Fuel, Oxy-Fuel

2.1.2 Oxy-Hydrogen

2.1.3 용해로 연소 공간의 H₂O 분압 및 유리 중의 H₂O 농도

2.1.4 제조공정 및 품질에 미치는 H2O 농도의 영향

2.1.4.1 Oxy-Gas 연소 시스템

2.1.4.2 Oxy-Hydrogen 연소 시스템

2.1.4.3 유리중의 H₂O 농도(COH) 결정

2.2 Hybrid 시스템

2.2.1 전기 용융

2.2.2 Hybrid 용융

2.2.2.1 용기유리

2.2.2.2 판유리

2.3 연소시스템 및 Hybrid 용융에 대한 고찰

2.4 파유리

2.4.1 자체 파유리

2.4.2 조성이 다른 외부 파유리

2.5 대체 원료

2.5.1 비탄산염 원료

2.5.2 기타 대체 원료

2.6 폐열 재회수

2.7 그 밖의 미래 최신 기술

3. 요약 및 결론

참고문헌 및 보도자료

맺음말

기후변화와 탄소중립

2025년 여름, 올해 우리나라 기상청의 통계 '최근 폭염·열대야 현황'에 따르면 이번 여름(6월 1일부터 8월 31일까지) 전국 평균기온은 25.7℃로 작년 여름(25.6℃)을 제치고 1973년 이후 여름 평균기온 중 1위에 올랐다고 한다. 지금부터 10년 전, 2015년 파리 기후협약이 공포되었을 때, 기후 전문가를 제외한 지구상의 보통 사람들은 지구 온난화 또는 기후변화란 생소한 단어를 체감하지 못하였지만 몇 년 전 부터 서서히 비정상적인 더위와 추위, 폭우와 가뭄 같은 기후변화를 느끼고 있다. 주된 원인은 온실가스, 그중에서 특히 탄소라 불리는 CO₂의 배출이며 파리 기후협약에 따르면, “지구 온난화를 막기 위해 지구 평균 기온 상승을 산업화 이전 대비 1.5°C 또는 2°C 이하로 제한하기로 전 세계 국가들이 합의하였으며, 2016년 11월에 발효되어 2020년부터 적용되고 있다. 이 협약은 5년마다 각국이 제출한 온실가스 감축 목표를 점검하고 강화하는 등, 전 세계 모든 국가가 참여하는 최초의 기후 합의이다.” 대한민국 정부도 탄소중립을 위하여 국가차원에서 무탄소 재생에너지와 원전에너지 운영계획을 세우고 있으며, 아울러 산업 전반에 걸쳐서 탄소배출 감축을 위한 산업별 대책을 독려하고 있다. 

유리의 생산은 ①주로 화석 연료의 연소에 의해 ②탄산염 원료를 함유한 뱃지를 용융하며 ③전반적인 공정의 제어는 전기에너지에 의존하기 때문에 전형적인 탄소배출 산업이다. 본 보고서에서는 soda lime silicate 유리산업을 대상으로 탄소배출 감축과 관련하여, Oxy-Gas, Oxy-Hydrogen 및 Hybrid Melting 시스템, 수분농도의 영향, 파유리 및 대체원료, 용해로 폐열 재회수를 주제로 유럽 및 미국 등의 최신 기술동향 및 탄소감축 효과를 고찰하고 국내 유리산업의 발전 방향을 모색하였다.           

2025년 10월

군산대학교 신소재공학과 명예교수 김기동

2.4 파유리 

2.4.1 자체 파유리

이미 알려진 바와 같이, 유리의 원료로서 파유리는 

①탄산염 원료(소다회, 석회석, 백운석)와 화석연료(Oil, Gas)를 동시에 감소  시킴으로써, 

②탄산염 원료 분해 및 연료의 연소에 의한 탄소발생 양을 감소시키는데 매우 큰 기여를 하고 있기 때문에, 

③대부분의 용해로에는 가능한 최대의 파유리 양을 적용하려고 노력하고 있다. 

문헌에 따르면, 총 생산 유리의 양을 기준으로 10 wt%의 파유리 도입은 요구되는 에너지의 3%를 감소시키며, 이러한 에너지 절약은 CO₂ 발생 양을 감소시키는데 매우 큰 기여를 한다[36, 37]. 

용기 유리를 대상으로 파유리에 의한 CO₂ 감축 보고서에 따르면[38], 표 9에 나타낸 바와 같이 자체 파유리 1톤 투입에 314 kg의 CO₂가 감소하며 외부 파유리 1톤 투입에는 (외부로부터 수집, 정제, 운반에 기인한 CO₂ 발생량을 고려하여) 290 kg의 CO₂가 감소하는 데이터를 보여주고 있다. 이때 1톤 파유리 투입에 의해 발생하는 CO₂ 감축량 (C)은 탄산염 원료의 감소에 의한 감축양(A)과 연소 에너지 감소에 의한 감축양(B)의 합을 의미한다.

표 9. 용기유리 생산에서 1 ton의 파유리 적용에 의한 CO₂ 감축 양 [38]

C=탄산염 원료의 감소에 의한 감축양(A) + 연소 에너지 감소에 의한 감축양(B)

표 10은 표 9를 참고로 하여, 실제 탄산염 원료인 석회석(CaCO₃)과 소다회(Na2CO₃)를 대상으로 “총 생산 유리 10ton에 대하여 1ton(10wt%)의 파유리를 도입”했을 경우, 

∎탄산염 원료 감소에 의한 CO₂ 감축 양(A)과 

∎연소 에너지의 3% 감소에 의한 CO₂ 감축 양(B)을 계산한 것이다. 

∎결과에 따르면, A는 196kg, B는 118 kg을 나타내고 있으며 A의 효과가 B보다 상당히 큰 결과를 나타내고 있다. 

표 10. 10 ton SLS 유리 기준, 1 ton의 파유리(10wt%) 도입에 의한 CO₂ 감축 양 (A: 뱃지중의 CaCO₃와 Na₂CO₃ 함량을 기준으로 계산)

C=탄산염 원료의 감소에 의한 감축양(A) + 연소 에너지 감소에 의한 감축양(B)

위와 같은 파유리의 효과를 그림 5의 “50% 파유리 적용 300ton/day Oxy-Fuel 용기유리 용해로”에 적용해보면, 표 11과 같은 결과가 도출된다. 

∎0% 파유리와 비교하여 에너지는 총 15%가 절약되고, 

∎150ton/day의 파유리가 투입됨으로 총 314x150=47100 kg/day의 CO₂ 배출이 감소하며,

∎용기 유리 하루 총 생산량으로 나누면 47100 kg/day/300ton, 즉 용기 유리 1ton 기준 하루에 157 kg의 CO₂ 배출이 감소한다. 

∎탄산염 원료의 감소에 의한 CO₂ 감축 양(A)은 98 kg/day/t·glass이며 연소에너지 감소에 의한 CO₂ 감축 양(B)은 59 kg/day/t·glass에 이른다. 

표 11. 300ton/day Oxy-Fuel 용기유리 용해로, 50% 파유리 적용에 의한 CO₂ 배출감소 (표 9와 10 참고)

한편, 파유리 적용에서 제외된 “미분의 파유리” 적용과 관련된 2018년 영국 Sheffield Uni. 연구에 따르면[39, 40], 

∎일반적으로 파유리 정제과정에서 남는 20%정도의 미분은 뱃지 용융과정에서 거품과 기포를 발생시키기 때문에 적용하지 않고 폐기하는데, ∎최종 유리의 조성에 영향을 미치지 않는 범위에서 다른 원료들과 미분의 파유리를 혼합하여 아래 그림 20과 Box 10과 같은 공정에 의해 Briquette(예: 번개탄 형태) 또는 Pellets 또는 Granule을 제조한 후, 

∎표 12와 같은 뱃지 조성에 편입하여 적용했을 경우, 뱃지의 용해과정에서 거품과 기포의 증가 없이 에너지와 탄소배출을 더욱 감소시키는 방법이 제안된 바 있다. 

비록 Briquette 성형이라는 번거로운 과정을 거침으로써 전기에너지에 의한 CO₂ 간접 배출이 발생 하지만, 미분 파유리의 적용을 통하여 총 파유리의 사용량을 극대화함으로써 에너지와 탄소배출을 더욱 감소시키는 긍정적인 효과가 있다. 

그림 20. Briquette 제조공정

Box 10. 미분말의 파유리 Briquette 또는 Pellets 또는 Granule제조에 의한 장단점

표 12. Briquette를 함유한 SLS계 용기 유리 뱃지 (wt%) [39]

*Briquette 구성: sodium silicate(Na₂O∙2SiO₂: water glass)+sodium carbonate(Na₂CO₃)+fine cullet(미분의 파유리)+water 

만약, 그림 5의 “50% 파유리 적용 300ton/day Oxy-Fuel 용기유리 용해로”에 미분의 파유리 10%를 추가로 적용한다면, 

표 13에 나타낸 것처럼 총 60%의 파유리 투입에 의해서, 

∎에너지는 18%가 절약되고, 

∎180ton/day의 파유리가 투입됨으로 총 314x180=56520 kg/day의 CO₂ 배출이 감소하며, 

∎용기 유리 1ton 기준 188 kg의 CO₂ 배출이 감소하여, 

∎결국 50% 파유리 도입보다 60% 파유리 도입에서 1ton의 용기유리 기준 31kg의 CO₂가 더 감소한다.

표 13. 50% 파유리 적용, 300ton/day Oxy-Fuel 용기유리 용해로: 미분 파유리 10% 추가에 의한 탄소배출 감소 효과

2.4.2 조성이 다른 외부 파유리

앞서 설명하였듯이, SLS 파유리는 용기 및 판유리 제조에서 탄산염 원료를 대체하고 연료소비를 낮춤으로써 탄소배출 감축에 기여하는 매우 중요한 역할 때문에 파유리의 수요는 항상 대기하고 있는 형편이며, 파유리가 주된 원료인 “건축용 흡음단열재 단섬유 유리” 제조에서는 파유리의 수급이 더욱 절실하다.      

Box 11은 단섬유 유리의 두 종류, Normal 단섬유 유리와 Premium 단섬유 유리의 조성 및 품질을 간략히 설명하였는데, 

∎색상과 상관없이 SLS계 파유리를 80~100% 사용하여 제조하는 건축용 흡음단열재는 단섬유 유리(glass wool)인데, 조성의 측면에서 보통(normal) 단섬유 유리에 속한다.

∎한편, 또 다른 단섬유 유리는 B₂O₃ 성분을 약 5 wt%이내에 함유하는 소다석회 붕규산염계(Na₂O-CaO-B₂O₃-SiO₂) 흡음 단열재인데, 원료혼합물 (뱃지)상태로 용융하여 단섬유 유리를 제조한다. B₂O₃ 성분에 의해 유리의 구조가 강화됨으로써 물에 대한 화학적 내구성이 강하여 흡음 단열재로서 긴 수명을 유지하는 Premium급 단섬유 유리에 속한다. 

Box 11. Normal 단섬유 유리와 Premium 단섬유 유리의 조성 및 품질 

그림 21. 흡음단열재 단섬유 유리 생산 공정

그림 21은 상업적인 단섬유 유리의 생산 공정을 보여주고 있는데, 

∎단섬유 유리는 용기유리 또는 판유리의 성형공정과는 다른 섬유화 (Fiberizing)라는 성형공정에 의해 섬유(wool)의 형태를 소유하기 때문에, 

∎용기유리 등 다른 품종의 SLS 유리와 비교하여 원료로서의 파유리(조성) 및 최종 섬유의 품질에 있어서 비교적 너그러운 편이다. 

∎그런데, 2019년 건축법 시행령 개정 “건축물의 외벽에 불연재료 또는 준불연재료를 마감 재료로 사용”해야 하는 의무규정에 의거하여, 불연재로서 단섬유 유리 수요에 대처해야 하는 단섬유 유리 제조업계는 SLS 파유리의 조달에 어려움을 겪고 있다. 

∎이러한 SLS 파유리 부족의 타개책으로 SLS 파유리의 일부를 붕규산염계 디스플레이 파유리 또는 폐유리로의 대체와 관련된 수편의 논문들이 최근에 발표된 바 있다[41-43]. 

◉보통(normal) 단섬유 유리에 상응하는 파유리를 대체한 경우[41], 

∎SLS 파유리 일부를 붕규산염계 (Alkali free Alumino Boro-Silicate: 이하 ABS) LCD 파유리로 대체하여 총 유리의 9 중량%(LF9)까지 첨가하였을 경우, ∎Fiberizing의 핵심 성질인 유리의 고온점도(logη=4 dPas)는 그림 22와 같이 거의 변화가 없으며, 

∎오히려 유리의 화학적 내구성의 척도인 수용액에서 Na₂O의 용출은 그림 23과 같이 감소한 결과를 나타내기 때문에 화학적 내구성이 보통 단섬유보다 증진될 것으로 예상한다.

그림 22. 보통(normal) 단섬유 유리의 원료, SLS 유리를 대상으로 LCD 파유리(LF) 첨가량(LF0, LF₃, LF₆, LF₉ wt%)에 의한 고온점도 변화 [41] 

그림 23. SLS 유리의 원료를 대상으로 LCD 파유리(LPV) 첨가량에 의한 Na₂O의 용출 변화 [41]

◉Premium 단섬유 유리에 상응하는 뱃지를 일부 대체한 경우[42, 43] 

∎최근 Premium급 단섬유 유리 뱃지를 대상으로, ABS 디스플레이 최종 폐유리(수명이 종료된 TV, Monitor 등과 같은 폐디스플레이 기기에서 발생하는 폐유리)를 도입한 연구에 따르면, 

∎그림 24에 나타낸 바와 같이, 60%SLS파유리+40%3종원료(Feldspar, Dolomite, Pentaborax)로 구성된 뱃지에서 3종 원료 대신에 20 wt%까지 ABS 폐유리(ELWG06)를 투입할 수 있는 것으로 보고하고 있다. 즉, 원가절감 및 탄소배출 감소가 동시에 일어난다.  

그림 24. Premium급 단섬유 유리 1000kg 기준, 0~20 wt% LCD폐유리(ELWG06) 첨가에 의한 원료의 감소효과 [42, 43]

따라서, 폐디스플레이 기기(LCD, OLED)의 해체에 의해 폐유리를 체계적으로 수집하고 공급하는 여건이 갖추어진다면, 보통(normal) 단섬유 뿐만 아니라 소다석회붕규산염계 Premium급 단섬유 유리 산업의 파유리 원료 공급 및 CO₂ 배출 감소에 큰 기여를 할 것이다.

[ 참고문헌 및 보도자료 ]

[36] Beerkens, R., van Limpt, H., Jacobs, G., Energy efficiency benchmarking of glass furnaces, Glass Sci. Technol., 44 (2004) 47-57.

[37] Masanet, E., Worrell, E., Graus, W., Galitsky, C., Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for the Fruit and Vegetable Processing Industry: An ENERGY STAR® Guide for Energy and Plant Managers, Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California Berkeley, CA 94720 

(2008).

[38] Vieitez, E. R., Eder, P., Villanueva, A., Saveyn, H., End-of-Waste Criteria (EoW) for Glass Cullet: Technical Proposals,” European Commission Joint Research Centre Institute for Prospective Technological Studies, Seville Spain (2011).

[39] Deng, W., Wright, R., Boden-Hook, C., Bingham, P., Briquetting of waste glass cullet fine particles for energy-saving glass manufacture. Glass Technology: Eur. J. Glass Sci. Tech. Part A, 59 (2018) 81-91.

[40] Deng, W., Wright, R., Boden-Hook, C., Bingham, P., Melting behaviour of waste glass cullet briquettes in soda lime-silica container glass batch, Int. J. Appl. Glass Sci., 10 (2019) 125-137.

[41] Kim, K., Kim, K., Hwang, J., Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display Cullet: A Raw Material for Production of Commercial Soda Lime Silicate Glasses, J. Clean. Prod., 79 (2014) 276-282.

[42] Kim, K., Kim, K., Recycling of waste glass generated from end-of- life

LCD devices: A feasibility study using simulated waste glass, J. Clean. Prod., 227 (2019) 199-206.

[43]김기철, 서관희, 김기동, 디스플레이(LCD, OLED) 파유리/폐유리의 가치있는 재활용, Ceramist 25 (2022) 250-266.

<다음호에 계속>