[특별기고-탄소중립 달성과 과제 中] 이산화탄소 저감방안과 혁신기술
[특별기고-탄소중립 달성과 과제 中] 이산화탄소 저감방안과 혁신기술
  • 김경식
  • 승인 2023.05.10 03:02
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김경식 ESG네트워크 대표/고철(高哲)연구소 소장 (전 현대제철 기획실장)

 

철강산업은 이산화탄소 배출량을 어떻게 줄일 것인가

자율주행과 전기차의 확대는 철강 수요 자체를 줄여서 이산화탄소 저감에 기여할 것이다. 그 외에도 용광로에 철스크랩 투입확대, 기술혁신을 통해서 이산화탄소를 줄일 수 있다.

▶ AI 기반 자율주행, 전기차 확대

용광로에서 생산한 철강이 늘어나게 된 이유 중의 하나로 자동차의 안전과 연료비 절감, 고가공성을 위해 가볍고 인장강도가 높은 철강이 필요했기 때문이라고 소개했다. 앞으로 자동차는 AI 기반의 자율주행 기술 혁신이 계속 일어날 것이다. 그리고 화석에너지를 소비하는 내연기관 자동차가 사라지게 될 것이다. EU는 2035년부터 생산이 금지되어 있다. 이러한 변화는 자동차 안전을 위한 용광로 철강재의 수요를 줄일 것이다.

그리고 전기자동차의 확대는 내연기관 엔진이 필요없으므로 철강 수요를 줄일 것이다. 자동차를 움직이는 에너지도 화석연료에서 전기로 바뀐다. 궁극적으로는 그린전기나 수소로 바뀌게 된다. 이러한 기술 혁신과 수요산업의 변화는 전 세계적으로 용광로 쇳물의 수요를 줄일 것이다.

▶ 철스크랩 투입 확대

현재 용광로 쇳물을 정련하는 전로(Convert)에는 철스크랩이 15% 정도 사용되고 있다. 전로에 스크랩을 투입하는 이유는 두 가지다.

먼저 철원을 보강하는 역할을 한다. HMR(Hot Metal Ratio)은 용선 배합비를 나타낸다. 100%는 용광로 쇳물 100%를 나타낸다. 여기에 스크랩을 15% 추가하면 HMR은 85%가 된다. 스크랩은 그 자체가 쇳덩어리이므로 이를 용해할 경우 직접적인 이산화탄소 배출은 없다. 따라서 스크랩 투입량을 높일수록 이산화탄소 발생을 줄일 수 있다.

용광로에 스크랩을 투입하는 두 번째 이유는 용광로 내부 온도를 낮추기 위함이다. 용광로 안의 탄소(C)를 제거하기 위해 산소를 주입하게 된다. 이때 산소(O₂)와 탄소가 만나서 이산화탄소(CO₂)가 발생하면서 발열작용이 일어나게 된다 그러면 용광로 안의 온도가 적정온도 이상으로 올라가게 되므로 스크랩을 투입하여 온도를 낮추어야 한다.(출강온도는 1650℃)

이러한 목적에도 불구하고 용광로에 스크랩 투입을 무한정 늘릴 수는 없다. 품질이 저하되기 때문이다. 참고로 철강제품 평균수명을 30~40년으로 봤을 때 2050년경에는 전 세계적으로 연간 9억톤의 철스크랩 공급이 가능할 것으로 예상된다.

▶ 기술혁신

철강산업은 그 자체로도 이산화탄소를 많이 배출하지만 전기 소비가 많아 기술혁신을 통한 에너지 절감이 중요하다. 특히 한국은 전체 전력의 65%가 석탄, LNG등 화석연료로 발전을 하고 있다.

한 예로 전기로 제강의 기술혁신이 전력소비를 획기적으로 줄였다.(연세대 손일 교수. 철강보 2020년 11월호) 아래 그림을 보면 1965년 전력사용량은 쇳물 1톤당 630kwh/t과 TT(tap-to-tap) 시간이 180분 소요되었다. 이후 슬래그 포밍, Co-Jet 2차 연소, 초대형 변압기, 고철 예열 등을 포함한 다양한 혁신 기술이 개발되어 2010년 기준으로 전력 사용량은 280kwh/t과 TT시간은 40분이 되었다. 에너지 소비는 줄이고 생산성은 획기적으로 늘어났다.

이러한 혁신의 동인은 비싼 에너지 가격 때문이다. 그리고 고성장 시기에는 빨리 많이 판매를 하는 게 중요하기 때문에 생산성 기술혁신 경쟁이 일어났을 것이다. 이러한 사례에서 수소환원제철의 상용화 시기는 탄소가격과 용광로 철강 수요와도 밀접한 관계가 있다는 것을 알 수 있다.

따라서 배출권 가격과 수소환원제철 상용화 시기는 서로 연계되어 있다고 봐야 한다.

▶ 기술혁신 + 스크랩투입 확대

전로에 스크랩을 추가로 투입할 수 있는 기술이 있다. 아래 왼쪽 그림은 현재 일반적으로 사용되고 있는 상취전로(Linz-Donawitz)다. 이 방식은 전로 위에서 산소를 취입하여 쇳물 내부의 불순물과 탄소를 연소하여 정련하는 방식이다.

오른쪽 그림은 새로 나온 방식으로 산소를 전로 상부뿐 아니라 하부에서도 동시에 취입하는 방식이다. 이를 상저취전로(Top and bottom blowing convert, Combined blowing convert)라고 한다. 상저취전로에서는 산소가 전로의 상부와 하부에서 동시에 취입되기 때문에 철스크랩의 용해 속도가 기존 전로보다 빠르다. 또한 하부에서 취입되는 산소가 전량 탈탄반응에 사용되고 상부에서 취입되는 산소는 탈탄반응 및 이차연소 제어에 사용되어 추가 열원 확보에 유리하다는 장점이 있다.

이러한 상저취전로를 활용하면 철스크랩 투입 비율을 30~35%까지 높일 수 있으며, 이를 통해 용광로와 전로 공정에서 배출되는 온실가스를 30% 정도 감축할 수 있다. 이차 연소란 쇳물 내부의 탄소를 제거하는 과정에서 탄소와 산소가 만나 일차연소가 일어나며 이때 완전 연소되지 않은 일산화탄소(CO)가 다시 한 번 산소와 반응하여 연소되면 이산화탄소(CO₂)가 되는 과정을 말한다. 이러한 이차연소과정에서 발열반응이 발생하므로 이차연소 제어를 통해 추가 열원공급이 가능해진다.

▶ 함수소가스 고로 취입

함수소가스란 수소를 함유하고 있는 가스를 말한다. 이는 수소를 일정 비율 함유하고 있는 가스를 용광로 내에 취입하여 탄소의 환원 역할을 수소로 하여금 일부 대체하는 것이다. 현재는 용광로 열풍로에 미분탄(PCI탄)을 주입하여 철광석의 환원반응을 일으킨다. 이 열풍로에 수소나 수소를 함유하고 있는 가스를 함께 취입하면 일산화탄소에 의한 환원뿐만 아니라 수소에 의한 환원 반응이 동시에 일어나서 코크스 장입량을 줄이고 온실가스 배출도 줄일 수 있다는 논리다.

현재 제철소에서 발생하는 가스 중 COG(Cokes Oven Gas)에는 수소(H₂)가 56.4%. 메탄(CH₄)이 26.6% 포함되어 있고, 발열량도 4400(kcal/Nm3)으로 BFG(고로가스, 750)나 LDG(전로가스, 2000)보다 월등히 높다. 실험상으로는 기준 용광로 조업 대비 온실가스 감축량은 3.7% 정도다.

그러나 제철소 현장에서는 이 COG로 전기를 생산하고 있으므로 제철소 전체 온실가스 저감 효과는 친환경 전기 확보 정도에 따라 다를 수 있다. 또한 CH₄는 스팀으로 C와 H를 분리시키는데 개질 과정에서 CO₂ 발생이 LNG는 H 1개에 11개, COG는 25개가 발생한다.

▶ HBI 기반 전기로 기술

HBI(Hot Briquetted Iron)란 직접환원철인 DRI(Direct Reduced Iron)을 덩어리로 뭉친 것이다. DRI는 샤프트로(Shaft furnace)에 철광석과 환원가스를 넣어 환원반응을 일으켜 만든다. 이때 환원가스로 일산화탄소와 수소가 사용되며 이는 천연가스(메탄, CH₄)를 개질하여 얻는다.

고체인 철광석이 기체인 가스보다 운반이 용이하여 DRI는 가스 생산지역에서 만든다. 철광석으로는 15~20mm 크기의 펠릿을 사용한다는 단점이 있다. 이러한 환원은 용광로보다 이산화탄소 배출량을 1/2로 줄일 수 있다. 이 때 나오는 이산화탄소를 CCUS를 이용하면 추가 절감도 가능해진다.

DRI는 가루 형태이거나 다공질의 알갱이 형태인데 공기 중 산소나 수분과 접촉할 경우 재산화되고 이 과정에서 열과 수소가 발생한다. 따라서 이를 650℃ 이상에서 압축성형(Briquetting)해서 주먹 크기의 고체로 만든 것이 HBI다. 그런데 이 HBI는 철 함량이 90% 정도이고 나머지 10%는 맥석이다.

기존 전기로가 400kwh/t 정도 전기를 필요로 하는데 HBI를 녹이는 데는 150kwh/t의 전기가 추가로 필요하고 용해 시간이 길어져서 생산성도 그만큼 떨어지고 있다. 따라서 현재는 기존 전기로에 HBI를 일부 섞어서 사용하고 있는데 온실가스 저감 수단으로 본격 사용하려면 HBI전용 전기로 개발이 필요하다. 이러한 전기로는 수소환원제철 공법과 직접 연관이 있으므로 개발을 해야 한다. 수소환원제철이란 DRI 제조와 전기로 공정이 연계된 상태에서 환원제로 수소를 사용하는 것이다.

▶ 수소환원제철

수소환원제철은 철광석에서 산소를 분리할 때 환원제로 탄소(코크스) 대신에 수소를 사용하는 제철공법이다. 샤프트로(Shaft finance) 방식과 한국 정부 및 포스코, 현대제철, 동국제강 등이 참여하여 개발 중인 HyREX방식이 있다.

샤프트로 방식은 DRI 제조 공정과 유사하다. 환원가스로 메탄(CH₄) 대신 수소(H₂)를 사용하는 점이 다르다. 샤프트로에서 생산된 DRI를 전기용융로에서 녹여서 쇳물을 생산하게 된다. 이 방식은 대분의 철강회사에서 채택하고 있는데 그 이유는 기술 검증이 거의 되었다는 점이다. 단점은 철광석 원료로 고가인 펠릿을 사용해야 한다는 점이다.

HyREX는 포스코의 FINEX 공법에 수소환원을 접목시킨 것이다. FINEX 공법의 특징은 정통 용광로 공법이 용광로 안에서 환원반응과 철광석의 용융이 동시에 일어나는데, FINEX공법은 이 둘이 분리되어 있다는 점이다. 분광 형태의 철광석이 유동환원로(Fluidized Bed Furnace)에 투입되면 노(furnace) 하부에서 일산화탄소(55%)와 수소(20%)로 구성된 환원가스가 분사된다. 가루형태의 철광석은 고압의 환원가스에 의해 날리면서 환원반응이 일어나고 결과물로 가루 형태의 직접환원철(DRI)과 유사한 HCI(Hot Compact Iron)가 생성된다. 이 HCI는 하단의 용융로(Melter Gasifier)에 열원 역할을 하는 석탄과 섞여 투입된다. 이 때 용융로 하단으로는 취입된 산소가 석탄과 반응하여 연소하며 HCI를 녹이게 된다. FINEX 공법의 장점은 가격이 싼 가루 형태의 철광석과 석탄을 사용해서 코크스와 소결 공정이 없다 따라서 연료비 절감과 SOx, NOx 등 배출이 적다. 그러나 기술적 난이도가 샤프트 방식보다 높다는 점이 단점이다.

 


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