초저탄소 제강 – ULCOS

초저탄소 제강 – ULCOS  

기후 변화는 25년 이상 동안 전 세계 철강 산업에서 주요 환경 문제로 확인되었습니다. 2007년 IPCC(기후 변화에 관한 정부간 협의체)의 결과가 나오기 훨씬 이전에 주요 철강 생산업체는 철강 생산 중 발생하는 이산화탄소(CO2) 배출을 해결하기 위해 장기적인 해결책이 필요하다는 사실을 인식했습니다.

그 결과 철강 산업은 에너지 소비를 개선하고 온실 가스(GHG) 배출을 줄이는 데 적극 나서고 있습니다.

세계 철강산업과 가장 관련이 있는 온실가스는 이산화탄소(CO2)입니다. 세계철강협회(WSA)에 따르면 생산된 철강 1톤당 평균 1.8톤의 CO2 가스가 배출됩니다. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면 2010년 철강 산업은 전 세계 CO2 배출량의 약 6.7%를 차지했습니다.

생산된 조강 톤당 CO2 배출량은 이제 약 50% 낮아져 철강 부문에 대한 기후 영향이 극적으로 감소했습니다. 최고의 철강 공장은 현재 현재 철강 생산 기술이 설정한 열역학적 한계에 가깝게 운영되고 있습니다. 이는 철강 생산자가 에너지 효율성을 얼마나 더 향상시킬 수 있는지에 한계가 있음을 의미합니다. 대부분의 주요 에너지 절감이 이미 달성된 상태에서 현재 기술을 사용하여 CO2 배출량을 추가로 크게 줄이는 것은 불가능합니다.

GHG(온실가스) 배출량의 감소는 더 나아가 획기적인 기술의 도입을 의미했습니다. 특정 과제를 제기했기 때문에 포스트 교토 정책이 '즉시' 사고를 요하는 수준으로 CO2 배출량을 줄이는 것입니다. 이 목표를 달성하기 위해 기성품으로 사용할 수 있는 간단한 프로세스는 없습니다. 철강 생산 방식의 깊은 패러다임 전환을 상상해야 하며 이에 상응하는 획기적인 기술을 설계하고 개발해야 합니다. 정부와 국제 기구에서 요구하는 감축은 근본적이고 새로운 생산 기술의 발명과 구현을 필요로 합니다.

이것이 교토 의정서의 결과로 2004년에 시작된 협력적인 유럽 연구 개발 계획인 ULCOS(Ultra-Low CO2 Steelmaking) 프로그램을 만든 배경입니다. ULCOS는 철강 생산으로 인한 CO2 배출량을 더욱 획기적으로 줄일 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 이 프로그램의 주요 목표는 미래에 완전히 개발되면 철광석에서 철강 생산을 위한 CO2 배출량을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 입증할 수 있는 획기적인 공정 경로를 찾는 것입니다. 이 프로그램은 오늘날의 생산 기술과 비교하여 최소 50%까지 CO2 배출량을 줄이는 것을 목표로 합니다. 이러한 야심찬 목표를 달성하려면 현재 전 세계 철강 공장이 운영되는 방식을 변화시킬 철강 생산의 패러다임 전환이 필요합니다. ULCOS는 CO2를 상당히 줄일 수 있는 제강 기술을 식별하기 위해 고안된 세계적인 철강 산업 프로그램의 일부입니다. 이 프로그램에서는 가장 지속 가능한 방법으로 철강을 만드는 방법에 대한 답을 찾기 위해 노력하고 있습니다.

ULCOS 프로그램의 회원은 모든 주요 유럽 연합(EU) 철강 회사, 에너지 및 엔지니어링 파트너, 연구 기관 및 대학을 포함하여 15개 유럽 국가의 48개 유럽 기업 및 조직으로 구성된 컨소시엄입니다. 또한 유럽연합 집행위원회(European Commission)도 지원합니다. ULCOS는 유럽 프로그램이지만 지구 온난화 위협에 대한 솔루션을 적극적으로 모색하는 전 세계 철강 산업에서 가장 큰 노력입니다. 컨소시엄의 전문 지식은 철강 제조에서 바이오매스 생산 및 지질학적 CO2 저장에 이르기까지 다양하며 공정 엔지니어링, 에너지 경제학, 기후 변화 예측 연구를 포함합니다.

오늘날 ULCOS는 지구 온난화 위협에 대한 솔루션을 적극적으로 모색하는 전 세계 철강 산업에서 가장 큰 이니셔티브입니다. ULCOS 파트너는 7,500만 유로 예산의 60%를 지원합니다. 유럽연합 집행위원회는 RTD(연구 및 기술 개발) 프레임워크 프로그램과 RFCS(연구기금 석탄강철) 프로그램을 통해 나머지 40%를 기여합니다. 둘 다 유럽 내 산업 연구 및 기술 개발을 촉진하기 위해 설립되었습니다.

현재 철강 생산 기술은 주로 탄소를 기반으로 하는 석탄, 탄소와 수소가 혼합된 천연 가스, 스크랩 기반 전기로를 기반으로 합니다. CO2가 적은 공정 경로를 식별하기 위해 가능한 세 가지 주요 솔루션 경로는 (i) 탈탄소화라고 하는 석탄에서 벗어나 수소 환원 또는 철광석 전기분해와 같은 공정에서 탄소를 수소 또는 전기로 대체하는 것입니다. (ii ) CCS(탄소 포집 및 저장) 및 광물 탄산화 기술의 도입 및 (iii) 지속 가능한 바이오매스의 사용

ULCOS는 철강 산업이 사회 전체와 함께 직면하고 있는 장기적이고 복잡한 문제에 직면하도록 신중하게 설정된 대규모 프로그램입니다. ULCOS 프로그램은 (i) 공정 개념 구축, (ii) 대규모 시연, (iii) 첫 번째 상업 공장의 대규모 실험의 4단계로 구성됩니다. (iv) 유럽 및 세계에서의 기술 배포. 연구 이니셔티브였던 ULCOS는 현재 시범 이니셔티브로 바뀌었습니다.

2004년 시작된 이래로 ULCOS 프로그램에 대해 상당한 연구가 수행되었습니다. 4~5년 동안 지속되는 초기 타당성 연구는 평가를 위한 모델링 및 실험실 접근 방식을 사용하여 연구 프로그램의 초기 단계에서 80개 이상의 기술/개념 경로를 조사했습니다. CO2 배출량, 에너지 소비, 철강 제조 운영 비용 및 지속 가능성 측면에서 잠재력. 여러 개념이 동시에 조사되었습니다. 이 모든 것 중에서 다음과 같은 광범위한 프로세스 경로 제품군이 ULCOS 프로그램 내에서 선택되어 추가 조사 및 궁극적으로 상업적 구현이 인수될 수 있는 규모까지 확장됩니다.

• BF의 상부 가스가 CO2 포집을 통과하고 나머지 환원 가스가 반응기 바닥에 재주입되는 고로(BF)의 변형으로 열풍보다는 순수 산소로 작동됩니다. 공기). 이 공정을 TGR-BF(Top Gas Recycling Blizzard Furnace)라고 합니다. CO2가 풍부한 가스 흐름은 저장소로 보내집니다(CCS 기술).
• HIsarna 공정이라고 하는 제련 환원 공정. 이 공정은 고온 사이클론과 수조 제련소의 조합을 기반으로 하며 HIsmelt 공정의 일부 기술 기능을 통합합니다. 이 공정은 또한 순수한 산소를 사용하고 거의 보관할 준비가 된 배출 가스를 생성합니다(CCS 기술).
• ULCORED라고 하는 직접 축소(DR) 프로세스입니다. 이 공정은 천연 가스 또는 석탄 가스화 가스로부터 용광로에서 DRI(직접 환원 철)를 생산합니다. 샤프트에서 발생하는 폐가스는 CO2가 포집된 후 공정으로 재활용되며, 이는 DR 플랜트를 농축된 흐름으로 남겨 저장실로 이동합니다(CCS 기술).
• ULCOWIN 및 ULCOLYSIS라고 하는 두 가지 전기분해 공정 변형. ULCOWIN은 작은 알갱이의 광석으로 채워진 알칼리성 수용액에서 100℃보다 약간 높은 온도에서 작동합니다(전기 채취 공정). ULCOLYSIS는 제강 온도에서 슬래그로 이루어진 용융염 전해질(열전해)로 작동합니다.
• 사용 가능한 옵션이 두 가지 더 있습니다. 첫 번째는 탄소 발자국 없이 사용할 수 있는 경우 직접 환원을 위해 수소를 사용하는 것입니다. 두 번째는 지속 ​​가능한 바이오매스의 사용을 기반으로 하며, 첫 번째 구현은 열대 국가에서 자란 지속 가능한 유칼립투스 농장에서 생산된 목탄입니다.

새로운 ULCOS 기술 내에서 CCS 및 광물 탄산화의 사용도 평가되었습니다. CCS는 처음부터 강력한 솔루션으로 인식되었습니다. 미네랄 탄산화에 대해서는 중요하지만 전체적인 배출량 감소를 초래할 수 있는 것으로 확인되었습니다.

ULCOS 프로그램에서 검토 및 개발 중인 프로세스는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 ULCOS 프로그램에서 검토 및 개발 중인 프로세스

ULCOS는 현재 실험적으로 테스트된 4가지 공정 개념을 선택하여 현재 모범 사례에 비해 CO2 배출량을 절반 이상 줄일 수 있습니다. 이러한 개념은 현재 다음 국가에서 구현되고 있습니다. ULCOS 프로젝트의 두 번째 단계에서 작업 중인 철강 공장 ULCOS 프로그램의 2단계 결과는 잠재적으로 지금부터 약 15~20년 후에 생산 공장으로 롤아웃될 수 있습니다. 선택된 프로세스 개념은 (i) 공정의 핵심에 CCS를 통합하기 위한 고로, (ii) CCS 기능을 통한 제련 환원, (iii) 오늘날보다 더 많은 CO2 희박 기술과 함께 천연 가스의 대량 사용, (iv) 수소 제강 및 철광석 전기분해.

TGR-BF는 기존 BF를 새로운 기술로 개조할 수 있기 때문에 단기적으로 가장 유망한 솔루션으로 보입니다. 이를 통해 획기적인 기술로 전환하는 데 필요한 광범위한 자본 지출을 어느 정도 통제할 수 있습니다. 또한, 공정의 바로 그 원리는 CO2의 포집 및 정제된 가스의 재활용이 고온의 화학 평형(부두아르 반응)을 대체하고 BF 내부에서 기존 작업에서 가능한 것보다 더 높은 효율의 코크스와 석탄을 사용하기 때문에 에너지 절약을 제공합니다. . 이것은 어느 정도 캡처 및 저장에 의해 발생하는 추가 비용의 균형을 유지합니다. TGR-BF에 적용되는 적절한 개념은 산소 작동과 함께 공정 중 CO2 포집 개념입니다. 산소 부분은 순산소 작동과 유사하지만 동일하지는 않습니다. 재활용 부품은 독창적이며 일부 에너지 절약과 그에 따른 운영 비용 절감을 달성하는 핵심 이유입니다. 이 개념은 스웨덴 Luleå에 있는 대규모 실험실 용광로에서 테스트되었으며 긍정적인 결과를 얻었습니다.

천연 가스를 사용할 수 있는 경우 ULCORED 공정 경로가 매력적인 옵션입니다. ULCORED 공정에 적용된 개념은 TGR-BF의 개념과 유사하며 순수 산소의 사용 및 샤프트 탑 가스의 공정 중 재활용을 포함하며, 재활용 루프. 이 개념의 검증을 위해 ULCOS 파트너인 LKAB가 앞으로 몇 년 동안 Luleå에 1톤/시간 파일럿을 건설할 계획입니다.

개발 중인 HIsarna 공정은 향후 몇 년 안에 아마도 미개발 철강 공장에서 사용할 수 있는 옵션이 될 것입니다. HIsarna 공정은 가스 재활용 루프를 포함하지 않기 때문에 TGR-BF 및 ULCORED 공정과 약간 다릅니다. 제련소 가스는 사이클론 수준에서 산화되며, 여기서 일부 환원은 연소와 함께 수행되어 광석을 예열하고 녹입니다. 화학 에너지가 완전히 소모되는 철 흐름에 대한 가스의 역류 흐름이 있습니다. ULCOS 프로그램 과정에서 시간당 8톤의 파일럿 플랜트가 세워지고 테스트되었습니다. 파일럿 플랜트는 2011년 4월에 시작되었습니다. 첫 번째 캠페인에서 플랜트는 2011년 4월 18일부터 6월 11일까지 운영되었습니다. 네 번의 시작이 있었습니다. 첫 스타트업은 성공하지 못했다. 나머지 3개 스타트업은 성공적이었다. 달성된 주입률은 용량의 60%였습니다. 작업에서 사용 가능한 데이터에 따르면 프로세스가 예상대로 작동했지만 이를 확인하려면 더 많은 작업 시간이 필요합니다. 영업시간이 예상보다 적었다. 두 번째 캠페인은 2012년 10월 16일에 시작되어 2012년 11월 말까지 계속되었습니다.

전기분해 공정은 ULCOS 프로그램 내에서 처음부터 개발되었으므로 여전히 실험실 규모에서 운영되고 있습니다. 탄소배출 제로를 약속하지만 친환경 전력을 이용할 수 있다면 상업 규모(10~20년)로 확장하는 데 시간이 필요합니다. ULCOWIN 공정은 철광석의 알칼리 전기분해로 구성됩니다. 전기 분해는 일반적으로 철강 이외의 금속을 생산하는 데 사용되며 많은 양의 전기가 필요합니다. 이 프로세스는 수력 또는 원자력과 같은 CO2가 적은 전력원에 따라 달라집니다. ULCOLYSIS는 용융 산화물 전기분해입니다. 용융 산화물 전기 분해는 산화철이 공급된 용융 슬래그에 전류를 통과시켜 작동합니다. 산화철은 액체 철과 산소 기체로 분해됩니다. CO2가 생성되지 않습니다. CO2가 적은 전력원으로 공정 배출을 더욱 감소시킵니다.

수소 제강에서 철은 고온(1,300℃ 이상)에서 매우 짧은 반응 시간으로 철광석에서 환원됩니다. CO2는 배출되지 않지만 수소를 생산하려면 많은 양의 CO2 희박 전기가 필요합니다. 이 프로세스는 천연 가스와 같은 낮은 CO2 연료에서도 작동할 수 있습니다.

수소 제강은 녹색 수소의 가용성에 크게 의존하는 반면, 성장하는 국가에서 멀리 떨어진 숯을 사용하려면 여러 대륙에 걸친 무거운 기반 시설을 포함하여 복잡한 물류 설정이 필요합니다.

ULCOS는 철강 산업의 장기적 이니셔티브입니다. 그것은 약속으로 가득 차 있지만 위험과 함정도 있습니다. 이는 다른 부문이 경험하는 것과 유사한 상황입니다. 위험은 문제의 복잡성과 관련이 있으며 매우 짧은 시간 제약 하에서 획기적인 기술의 개발 및 구현을 요구합니다. 이 프로그램이 철강 산업의 성공적인 이니셔티브가 되고 대부분의 목표 목표를 달성하려면 인내, 지원, 성실 및 지속적인 결단이 필요합니다.