에너지 효율 및 철강 생산

에너지 효율성 및 철강 생산

  최근 몇 년 동안 보다 합리적이고 효율적인 에너지 사용의 필요성이 전략적이고 시급한 문제로 대두되었습니다. 이러한 필요성은 에너지 비용 증가뿐만 아니라 공정 및 최종 제품의 일부 특성(예:비용 및 품질)을 강조하는 경쟁의 결과로 인해 특히 철강 생산에서 인식됩니다. 또한 에너지 자원의 합리적인 사용은 에너지원으로 간주되는 제한된 가용성에 대한 의식의 달성과 관련된 첫 번째 측면과 비용에 대한 성숙한 인식으로 대표되는 두 번째 측면의 이중 문제로 간주될 수 있습니다. 에너지를 얻기 위해 태어났습니다.

전 세계적으로 에너지 소비의 증가는 에너지 보존에 대한 우려의 증가와 함께 진행되었습니다. 비용이 많이 들고 급격한 가격 변동이 발생하기 쉽다는 점 외에도 압도적인 대다수의 에너지원은 재생 가능하지 않습니다. 따라서 에너지 절약은 귀중한 자원의 낭비를 방지할 뿐만 아니라 석탄, 석유 및 천연 가스 자원의 급속한 고갈을 늦추기 위해 필수적으로 간주됩니다. 그러나 지난 30년 동안 환경 운동이 힘을 얻으면서 지속 불가능한 에너지 사용의 파급력은 더 이상 경제에만 국한되지 않습니다. 온실 가스(GHG) 배출의 대부분은 화석 연료 연소의 결과이므로 오늘날 에너지 보존은 본질적으로 기후 문제와 연결되어 있습니다. 화석 연료 사용을 중단하는 것은 대체 자원의 실행 가능성 없이는 선택 사항이 아니므로 에너지 사용을 줄이고 배출량을 관리하는 유일한 방법은 효율성을 극대화하는 것입니다.

철강 산업은 모든 국가의 경제에서 가장 에너지 집약적인 부문 중 하나이기 때문에 지역 및 글로벌 환경 논의의 맥락에서 특히 관심이 많습니다.

에너지 사용이 지역 및 지구 환경에 미치는 영향에 대한 우려가 높아짐에 따라 최근 에너지 효율성에 대한 프로필이 높아졌습니다. 에너지 안보에 대한 도전은 또한 에너지 사용 감소에 직접적으로 기여하기 때문에 에너지 효율성을 전면에 부각시켰습니다.

철강 생산의 에너지 효율은 생산 비용 절감, 철강 제품 경쟁력 확보, 온실 가스 배출과 같은 환경 영향 최소화를 위해 매우 중요합니다. 일관제철소에 투입되는 에너지의 대부분은 연료와 전기에서 나옵니다. 연료의 에너지는 주로 고체 연료(주로 석탄)에서 나오며 소량만 액체 및 기체 연료에서 얻습니다. 철강 생산의 연료는 열 에너지를 제공하는 데 사용됩니다. 철광석을 환원시켜 철을 생산하는 환원제로도 사용됩니다. 전기 에너지는 공정 요구 사항을 충족하고 모터를 가동하고 시설을 조명하는 데 사용됩니다.

  에너지 효율성이라는 개념을 처음 구체화한 사람은 미국의 물리학자이자 환경 운동가인 Amory Lovins였습니다. 1973년의 오일 위기에 충격을 받은 로빈스는 더 많은 양의 에너지를 이용하지 않고 기존 양의 효율성을 높여 에너지 요구 사항을 충족하는 시스템인 '네가와트'의 개념을 가정하고 대중화했습니다. 즉, 미국식 표현을 사용하면 '가장 큰 돈을 벌다'입니다. 그 이후로 전 세계의 모든 사람들은 기존 기술을 미세 조정하거나 각 에너지 단위에서 파생되는 가치를 극대화하는 완전히 새로운 솔루션을 고안하기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 노력은 에너지를 효율적으로 사용하도록 동기를 부여할 수 있는 환경을 조성한 권위 있는 사람들의 지원으로 이루어졌습니다.

철강 생산은 에너지 집약적입니다. 모든 산업 부문 중 가장 큰 에너지 소비국입니다. 또한 가장 큰 CO2 배출량입니다. 철강 생산 비용의 상당 부분을 차지합니다. 에너지 비용은 총 비용에서 차지하는 비율로 생산 경로, 사용되는 철광석 및 석탄 유형, 철강 제품 혼합, 운영 제어 기술 및 재료 효율성에 따라 20%에서 40% 범위입니다.

철강 생산에 사용되는 주요 에너지원은 점결탄, 비점결탄, 액체 연료유 및 전기를 포함합니다. 천연 가스를 사용할 수 있는 곳이면 어디에서나 철 생산에 사용됩니다. 다양한 유형의 1차 에너지원 중에서 점결탄이 사용되는 에너지의 대부분을 차지합니다(65%~80%). 점결탄, 비점결탄 및 액체 연료유는 주로 일관제철 공장에서 사용되지만 전기는 전기로 또는 유도로를 사용하는 소형 공장의 철강 제조를 위한 주요 투입물입니다.

에너지 집약도는 SEC(출력 단위당 특정 에너지 소비)로 물리적 용어로 측정됩니다.

특정 에너지 소비(SEC)는 다음과 같이 정의됩니다. SEC는 GJ/제품 톤으로 측정됩니다.

SEC =사용된 에너지 / 생산된 제품 =(수입된 에너지 – 수출된 에너지) / 생산된 제품

산업 공정은 연료, 증기, 전기 등 다양한 형태의 에너지를 사용하는 경우가 많으며 이러한 공정의 SEC는 다음과 같이 계산됩니다.

SEC =E(연료) + E(증기) + E(전기) / 생산된 제품

여기서 E(연료)는 연료 소비량, E(증기)는 증기 소비량, E(전기)는 공정의 전력 소비량입니다.

대부분의 경우 SEC는 모범 사례를 채택하여 달성할 수 있는 출력 단위당 에너지 감소 비율을 결정하기 위해 모범 사례와 비교됩니다. 철강 생산을 위한 SEC는 최근 몇 년 동안 상당히 감소했습니다. 오늘날 고로 - 기본 산소로 경로를 사용하는 세계 에너지 효율적인 공장의 SEC는 조강 톤당 17GJ에서 조강 톤당 23GJ까지 다양합니다. 그다지 효율적이지 않은 공장에서는 조강 톤당 25GJ에서 조강 톤당 34GJ 범위입니다.

SEC의 이러한 변동은 철광석 및 석탄 품질, 강종 및 재료 효율에 의해 영향을 받습니다. 개방형 노상 용광로 경로는 에너지 집약적이며 덜 생산적입니다.

현재 이 기술을 BOF 기술로 대체하기 때문에 여전히 매우 작은 용량만 사용하고 있습니다. 전기로를 활용한 철강 생산 경로는 코크스나 소결로가 필요 없고 재활용된 철스크랩이 필요하다. 이 경로의 에너지 집약도는 철 스크랩만 투입되는 조강 톤당 9.1~12.5GJ입니다.

조강을 생산하는 또 다른 방법은 철광석을 직접 환원하여 DRI(직접환원철)를 생산하는 것입니다. 평균 에너지 집약도는 일반적으로 조강 톤당 28.3~30.9GJ입니다. 이 기술은 주로 천연 가스 또는 비점점탄을 사용합니다. 요즘 전 세계적으로 셰일가스가 풍부한 지역에서 셰일가스를 이용해 DRI를 생산하는 데 상당한 관심을 갖고 있다.

유럽의 제철소에 있는 여러 공장의 일반적인 SEC 및 특정 CO2 배출량은 표 1에 나와 있습니다.

탭 1 유럽의 철강 생산에 대한 일반적인 SEC 및 특정 CO2 배출량
제철소 단위	1차 에너지	직접 에너지	총 CO2 배출량	직접 CO2 배출
GJ/톤	GJ/톤	톤 CO2/톤	톤 CO2/톤
코크스 및 부산물 공장	6.827	6.539	0.824	0.794
소결로	1.730	1.549	0.211	0.200
펠렛 공장	1.204	0.901	0.075	0.057
고로	12.989	12.309	1.279	1.219
기본 산소 용광로	-0.253	-0.853	0.202	0.181
전기로	6.181	2.505	0.240	0.240
블룸, 슬래브 및 빌렛 밀	2.501	1.783	0.125	0.088
열간 스트립 밀	2.411	1.700	0.120	0.082
플레이트 밀	2.642	1.905	0.133	0.098
섹션 밀	2.544	1.828	0.127	0.084
산세척 라인	0.338	0.222	0.016	0.004
냉간 압연기	1.727	0.743	0.075	0.008
어닐링	1.356	1.086	0.070	0.049
용융 코팅 라인	2.108	1.491	0.104	0.059
전해 코팅 라인	4.469	2.619	0.208	0.046
유기 코팅 라인	1.594	0.758	0.074	0.003
발전소	12.173	12.173	1.989	1.989

통합 철강 공장의 에너지 흐름 및 공정 가스 활용

일관제철소의 에너지 상호의존성은 상당히 복잡합니다. 그림 1은 일본 철강 일관 공장의 내부 에너지 흐름과 함께 다양한 유형의 에너지 및 환원제의 입력 및 출력 흐름의 전형적인 예를 보여줍니다.

그림 1 일본 일관제철소의 일반적인 에너지 흐름의 예

일반적으로 지배적인 투입물은 석탄, 연료유, 그리고 외부 공급처에서 구입한 경우 코크스입니다. 이러한 투입물은 주로 코크스로 공장에서 코크스 생산과 고로에서 환원제로 사용됩니다. 송풍구 수준에서 고로에 주입되는 석탄, 콜타르 또는 오일과 같은 대체 환원제를 고로에서 사용하는 것이 일반적입니다. 사용한 오일, 지방, 다양한 가스(예:코크스 오븐 가스) 및 폐플라스틱과 같은 기타 탄화수소도 주입될 수 있습니다.

다양한 가스의 품질(발열량 및 청정도)과 부피는 크게 다르며 이러한 요소는 연료를 유용하게 사용할 수 있는 위치에 영향을 미칩니다. 에너지 효율을 최적화하려면 각 연료 가스를 가장 적절한 플랜트에서 소비해야 합니다. 에너지 관리는 이와 관련하여 중요한 역할을 합니다. 에너지 관리의 주요 임무는 공정 가스와 구매한 연료의 효율적인 분배와 사용입니다. 좋은 식물 배치는 이 작업을 더욱 용이하게 할 수 있습니다.

코크스로 가스(COG), 고로 가스(BF 가스) 및 염기성 산소로 가스(BOF 가스)는 일관제철소의 에너지 시스템의 기초를 구성합니다. 대부분의 에너지 수요는 이러한 가스로 충족됩니다. 나머지 부분은 구매한 에너지, 일반적으로 전력 및 연료유와 같은 기타 연료와 균형을 이루어야 합니다.

에너지 효율 개선의 가능성은 철강 부문의 지속적인 변화에 크게 좌우됩니다. 기술 전환 및 개조, 재활용 및 폐열 회수 등 투입 요소의 개선으로 인해 발생합니다. 예를 들어, 폐열 회수의 잠재력은 엄청납니다. 현재 많은 철강 공장에서 50% 이상의 에너지가 손실됩니다. 손실은 발전이나 저열증기 생산에 사용할 수 없는 배기가스 및 부산물 가스로 발생합니다.

  에너지 효율 개선을 위한 대부분의 조치는 비용 효율적이고 일정 기간 내에 순 이익을 제공하지만 많은 제철소에서 시행되었거나 현재 시행되고 있는 조치는 거의 없습니다. 에너지 효율성 개선의 장애물은 주로 이러한 철강 공장의 자본 가용성입니다.

SEC 개선

SEC의 개선은 다음을 통해 얻을 수 있습니다.

• 공정의 에너지 효율성 개선
• 프로세스의 적절한 입력 자료를 선택하여
• 공정에서 에너지 손실을 줄이거나 막음으로써
• 공정에서 발생하는 폐열 회수
• 에너지 관리 시스템을 통한 에너지 소비 모니터링 개선

개선 영역은 적절한 에너지 감사를 통해 식별됩니다. 감사는 내부 또는 자격을 갖춘 외부 기관을 통해 수행할 수 있습니다. 개선 영역은 세 가지 범주로 분류됩니다.

• 단기 – 투자가 거의 없거나 아주 적은 투자로 구현할 수 있는 개선 항목입니다. 이는 일반적으로 공정 개선, 모니터링 개선, 폐기물 재활용, 공정 투입 개선 등입니다.
• 중기 – 이러한 개선을 위해서는 지불 기간이 매우 빠른 특정 장비/도구의 추가/교체가 필요합니다.
• 장기적 – 이러한 개선에는 상당한 투자가 필요하며 오래된 장비/공정의 폐기가 포함될 수 있습니다.

위의 개선 사항을 구현하려면 관리 지원이 필수 요소입니다. 경영진의 지원 없이는 에너지 효율 개선 프로그램이 성공할 수 있습니다.