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[탄소저감테크①] 철강업계, 고로기반 탄소저감형 제철기술 개발

[블루이코노미 한승호 기자] 철강업에서 탄소 저감에 대한 관심과 도전이 전 지구적으로 논의되고 있다.

하지만 철강시장은 국내를 넘어 글로벌화되어 있고, 국가마다 탄소세에 대한 법제화가 통일되지 않은 이른바 평평하지 않은 운동장에서의 경쟁과도 같다.

현대화된 일관제철소는 석탄 등의 화석 원료를 이용하여 철광석 환원제와 에너지 자원으로 운영되는 최적화된 시스템이다. 하지만, 이산화탄소(CO2)로 대표되는 온실가스 감축 노력이 전 세계적으로 진행되고 있는 가운데, 신기후체제 합의문이 2015년 파리기후변화협약에서 도출되었다.

온실가스 감축 이행을 위해 국내에서도 2030년 국가감축목표를 2017년 대비 24.4%로 결정했다. 따라서 산업계 전반에 걸친 배출 절감을 위한 노력이 요구되는 가운데, 철강 산업은 석탄을 환원제와 열원으로 사용하는 제선 공정 중심의 개선 노력을 추구하고 있다.
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고로기반 일관제철소의 에너지사용 흐름도
그러나 국내 철강 산업은 그동안 지속적인 기술개발 및 설비투자로 석탄 및 에너지 사용 원단위가 일본과 함께 전 세계적으로 가장 우수하여 추가 절감 여력이 크지 않다.

그럼에도 불구하고 2030년 국가 온실가스 감축목표 달성을 위해 현탄소기반 고로 기술의 패러다임 전환을 위해 새로운 기술적 접근을 시도하고 있다.

전통적으로 가장 활용이 용이하고 가격이 저렴한 석탄을 이용한 고로기반공정은 현재 제철산업의 주력 공정이 되었다.

특히, 고로제철법은 연속식이며, 최근까지 설비의 대형화가 추진되었으며 현재는 연산 500만톤 생산규모까지 확대되어 생산성과 에너지 효율이 최적화되었다.

고로는 고체의 소결광과 코크스가 상부에서 장입되고, 하부에서는 열풍과 코크스의 연소로 얻어지는 환원가스 사이의 열 교환과 환원이 효과적으로 이뤄진다.

즉, 석탄 사용에 의해 광석 환원과 열 공급이 동시에 구현되며, 설비 가동률도 95% 이상 유지 가능하다. 또한, 제품생산 공정과 연계하여 안정적 생산성 유지가 가능하다. 하지만, 화석연료인 석탄의 사용으로 온실가스 배출이 불가피하므로 석탄 사용량 감소에 대해 전 지구적 관심이 되고 있다.

고로에서 탄소는 환원반응과 철과 슬래그의 용융에 필요한 열을 동시에 제공하는 역할을 한다. 1000℃ 이하에서 간접환원 반응에 의해 CO 2 를 지속적으로 발생시킨다.

고로 내에서 사용되는 석탄 사용량 중 약 70%는 환원에 관여하는 비율이고, 30%는 가열 및 용융 등에 필요한 몫이다. 열원에 대해서 세분하면, 환원반응 온도 유지, 생성된 용융 철과 슬래그의 용융으로 나눌 수있다. 따라서 고로에서 발생된 탄소 유래 CO2 생성량은 이 두 가지 용도에 의한 결과물임을 인식해야 한다.

국내 철강 산업은 1970년대 초부터 일본이 체계화한 일관제철소(integrated steel mill) 시스템을 성공적으로 도입하여 거듭된 개선과 도전을 통해 현재 세계적으로 강력한 생산 기술경쟁력을 확보하고 있다.

일관제철소의 장점은 고로에 사용되는 소결광 및 코크스를 근접 거리에서 제조, 공급 하여 용선을 생산하고, 이를 후 공정에 연속적으로 제공한다.

또한 제조공정에서 발생되는 부산물인 슬래그(slag)는 시멘트 클링커의 원료, 도로 매립재 및 건축골재 등으로 활용된다. 제선및 제강 공정에 화석연료는 두 가지 용도로 사용되는데, 우선은 전술한 철광석의 환원반응에 활용되고, 이어서 반응열의 공급과 환원철 및 슬래그를 용융시켜 추가 정련 및 가공에 필요한 에너지로 활용된다.

또한 공정에서 발생된 잉여 부생가스는 하 공정(downstream)에서 각종 가열로의 열원 으로 사용되고 전력생산에도 활용되고 있다.

따라서 고로 기반의 철강업에서 사용되는 화석연료(석탄 혹은 천연가스 등)는 환원과 용융에 동시 활용되며, 제철소 내 다른 에너지원으로도 복합 사용되고 있다.
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고로기반 CO2 저감형 Hybrid 제철기술 개발(2017∼2024),
즉, 제철소에서 화석연료는 다양한 목적으로 동조화되어(coupling) 사용되고 있다. 따라서 현재의 고로기반 일관제철소에서는 석탄을 주요 에너지원으로 사용하지만, 철광석의 환원과 용융, 가열연료와 전력생산과 시멘트 원료공급원 등의 다양한 용도로도 활용하는 자립적인 에너지시스템으로 구조화되어 있다.

일본을 포함하여 한국의 신예화된 고로는 대형화와 최적화를 거듭하여 그효율개선의 여지가 제한적이다. 따라서 일본을 비롯한 한국 제철산업에서는 추가적인 연료비의 저하 방식보다는 다음의 3가지 방식으로 CO2 저감을 모색하고 있다.

첫째는 수소함유 자원 또는 바이오매스(biomass)와 같은 탄소중립적 자원을 환원제로 사용한다.

둘째는 철광석 등의 장입원료를 고로에 사용하기 전에 사전 개질(reforming) 또는 환원된 것을 사용하거나 완전히 환원된 스크랩 혹은 전기로용 DRI(Direct Reduction Iron, 환원철)을 사용하는 방법이다.

마지막으로 고온으로 배출되는 슬래그의 현열을 회수하는 방법이 거론되고 있지만, 현재의 시스템은 수재 슬래그를 생산하여 이를 시멘트 혼화제로 사용하고 있어, 요구되는 슬래그의 품질을 유지하면서도 안정적으로 열을 회수해야 한다는 어려움 때문에 지속적인 연구대상으로 남아있다.

정부 주도하에 철강업계는 2017년 12월부터 현재의 고로기반 제철공정 발생 CO2 10% 저하를 위한 기술옵션 확보(Pilot 단계 기술개발 및 요소기술 확보)를 목표로 산업기술혁신 사업을 추진하고 있다.

이 과제에서는 탄소계 환원제 사용을 저감하여 배출 CO2를 직접적으로 저감하는 기술과, 미활용 배열/현열 회수 및 CO2 자원화 등을 통해 배출 CO2를 간접적으로 저감하기 위한 기술을 대상으로 기술개발을 추진 중에 있다.

현재 국제경쟁력이 최고 수준에 이른 한국의 고로 시스템을 기반의 CO2 저감 방안으로 함수소 부생가스의 고로취입, 사전 예비 환원철(LRI, Low Reduced Iron)의 고로 사용을 중심으로 개발을 진행 중이다.

일관 제철소 내에서 부생가스 중 수소 농도가 높은 COG(Coke Oven Gas)는 현재 부생가스 발전과 하공정의 가열로 열원으로 사용 중이다. 이 과제에서는 부생가스 발전에 활용하는 함 수소 가스를 철광석 환원제로 전용하여 고로용 LRI를 제조하는 한편, 고로 풍구에 직접 취입하는 방법을 전제로 하고 있다. 이때 필요한 추가전력은 탄소 배출 계수가 상대적으로 낮은 외부 전력을 구입하는 방법으로 제철소 전체의 CO2 저감을 시도하고 있다.

한승호 기자 hoho@blueconomy.kr
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