FINEX 공정: 철광석 분말과 비코킹 석탄으로 용선 직접 생산하는 첨단 제철 기술

용선 생산을 위한 FINEX 공정

FINEX 용융환원 공정은 프라이메탈 테크놀로지스(오스트리아)와 포스코(한국)가 공동 개발했습니다. 고로(BF) 공정(고로, 소결공장, 코크스 오븐)과 더불어 용선(Hot Metal, HM) 생산을 위한 상업적으로 검증된 대안 공정입니다. 비코킹 석탄을 직접 사용하며, 철광석 분말을 어떠한 응집 공정 없이 직접 사용할 수 있습니다.

FINEX 공정에서는 미세 철광석을 예열·환원하여 3단계 유동층 반응기 시스템에서 미세 DRI(직접환원철)로 만들고, 환원가스는 멜터 가스화기에서 생산합니다. 유동층 반응기 덕분에 덩어리 광석이나 펠렛 대신 미세 광석을 사용할 수 있습니다. 결과적으로 코크스 제조와 광석 응집 공정이 모두 불필요합니다. 예환원 광석과 석탄 브리켓팅, 분탄 주입, 멜터 가스화기(MG) 제어 장입으로 연료율이 개선됩니다. 유동층 반응기에서 생산된 미세 DRI는 압축되어 HCI(열압축철) 형태로 멜터 가스화기에 장입되어 용선을 생산합니다. 장입된 HCI는 금속철로 환원·용융됩니다. 야금적 환원과 용융에 필요한 열은 고순도 산소(O₂)로 석탄을 가스화하여 공급합니다. FINEX 공정은 저비용 미세 철광석과 석탄을 사용하는 친환경 공정입니다.

고순도 O₂를 사용하므로 질소(N₂) 함량이 매우 낮은 수출 가스가 생성됩니다. 순발열량(CV)이 고로 상부 가스의 2배 이상이어서 일부는 환원용으로 재순환하거나 열/에너지 생산에 활용할 수 있습니다.

초기 개발 역사

• 1992~1996년: 일일 15톤 벤치 스케일 장비로 기초 실험실 연구 수행
• 1999년: 일일 150톤 파일럿 플랜트 시험 운전
• 2003년 6월: 포스코 포항제철소에 연산 0.6백만 톤(Mtpa) FINEX 데모 플랜트 가동 개시(유동층 반응기 3기). 2004년 2월부터 연산 0.7백만 톤 이상 안정 생산
• 2007년 4월: 연산 1.5 Mtpa 상업용 1호기 준공
• 2014년 1월: 연산 2.0 Mtpa 플랜트 포항에 가동

주요 원료

석탄

FINEX 공정 적합 석탄/석탄 블렌드 평가 기준:

• 고정탄소(Fix C) ≥ 55%
• 회분 ≤ 25%
• 휘발분(VM) < 35%
• 황(S) < 1%

이외에도 멜터 가스화기에서 안정한 차르 층 형성을 위한 열적 안정성 요구. 특수 실험실 테스트로 검증합니다.

멜터 가스화기의 낮은 부담 하중과 O₂ 사용으로 코크스 없이 운전 가능. 다만 석탄 브리켓 품질 변화와 환원도 변동 시, 셧다운 전후나 용선 온도 하락 시 생산성 유지와 연료비 감소를 위해 코크스 브리즈(30 mm 미만)를 일부 사용하는 것이 일반적입니다. 현재 운전은 상시 일정량의 코크스 브리즈를 투입해 위 영향을 최소화합니다. FINEX용 코크스 브리즈 품질은 고로용 코크스 강도의 약 60% 수준으로 고로용으로는 부적합합니다. 제로 코크스 브리즈 운전 달성을 위해 바인더 최적화, 석탄 브리켓 예열 기술 개발 등 추가 최적화 필요. 석탄 특성과 고로용 비교는 그림 1 참조.

철광석

일반적으로 소결급 미세 광석 100%를 유동층 반응기에 장입. 펠렛급 30~50% 혼용 가능. 철광석 종류와 배합은 총 Fe 함량, 조성 구조, 입도 등 화학적·물리적 특성 고려해 결정. 고로 공정과 마찬가지로 Fe 함량이 생산성 결정. 품질과 비용 모두 고려해 배합비 결정. FINEX는 고로보다 고알루미나(Al₂O₃) 슬래그 탭핑이 더 용이해 고알루미나 철광석 사용 가능. 적철석과 고사이트 급재 구조에 제한 없음. FINEX 적합 철광석 유연성은 그림 2 참조.

공정 상세

FINEX 공정의 핵심은 철광석 분말 직접 장입과 석탄을 환원제·에너지원으로 사용해 고품질 용선을 생산하는 것입니다. 철 생산을 두 개의 분리된 공정 단계로 수행하는 것이 특징입니다.

1. 3기의 유동층 반응기 시리즈에서 미세 철광석을 DRI로 환원
2. DRI를 압축(HCI)하여 멜터 가스화기로 이송. 석탄과 석탄 브리켓을 멜터 가스화기에 장입해 가스화, 용융에 필요한 에너지와 환원가스 공급

공정 흐름도는 그림 3 참조.

광석 루트

1단계: 철광석 분말을 유동층 반응기 3단계에서 예열·환원하여 미세 DRI 생산. 제1 반응기(R3)는 철광석 분말 예열용 주 반응기. 철광석 분말은 플럭스(석회석/돌로마이트)와 함께 유동층 반응기 시리즈에 장입. 장입된 광석은 3개 반응기를 하향 통과하며 멜터 가스화기에서 생성된 환원가스(석탄 가스화)로 가열·환원되어 DRI가 됨. 환원가스는 광석 이동 방향과 역류(카운터 커런트) 흐름.

공압 이송 시스템으로 광석 분말을 유동층 반응기 타워로 이송. 반응기 시리즈에 장입. 멜터 가스화기에서 생성된 환원가스가 각 유동층 반응기를 광석 방향과 역류( R1→R2→R3)로 통과. 3개 유동층 반응기의 대표적 온도와 환원가스 조성은 표 1 참조.

표 1: FINEX 공정용 3단계 유동층 반응기 대표적 가스 분위기
파라미터/성분	단위	R1	R2	R3
온도	°C	760	750	480
CO	%	45.4	39.3	32.7
CO₂	%	20.4	29.2	26.7
H₂	%	17.2	16.9	14.3
H₂O	%	5.4	7.3	7.8
N₂	%	11.6	6.6	18.4
CH₄	%	Nil	Nil	Nil

미세 철광석은 가스 흐름에 의해 유동화되며 각 반응기 단계마다 점점 더 환원됩니다. 최종 유동층 반응기에서 배출된 환원철은 압축되어 HCI가 됩니다. HCI는 열수송 시스템으로 멜터 가스화기 상부로 이송되어 석탄과 함께 직접 장입. 최종 환원과 용융이 이루어집니다.

석탄 루트

비코킹 석탄과 석탄 브리켓을 록호퍼 시스템으로 멜터 가스화기에 직접 장입. 차르 층 위로 떨어지며 탈가스 발생. 방출된 탄화수소(환경 유해)는 돔부 1,000°C 이상 고온에서 즉시 CO와 H₂로 해리. 멜터 가스화기 하부에 주입된 O₂가 석탄을 가스화하여 용융열 발생과 함께 CO, H₂ 주성분의 고부가가치 환원가스 생성. 이 가스는 돔에서 나와 핫 가스 사이클론에서 정제된 후 유동층 반응기로 유입. DRI 용융 후 탭핑은 일반 고로와 동일 방식. FINEX 용선 품질은 고로 용선과 유사.

수출 가스

유동층 반응기 상부에서 배출되는 청정 수출 가스는 FINEX 공정의 가치 있는 부산물. 다양한 용도 활용 가능: DRI 생산, 발전, 화학 산업용 합성가스 생산 등. FINEX 공정 내 각종 가스 대표 조성은 표 2 참조.

표 2: 대표적 가스 조성
가스 조성	단위	CO	CO₂	H₂	N₂
오프 가스	%	35-36	32-33	14-15	10-11
제품 가스	%	53-54	2-3	24-25	17-18
테일 가스	%	17-18	65-66	10-11	2-3

FINEX 공정 내 가스 흐름은 그림 4 참조.

대표적 단위 소비량 (톤당 용선 기준)

• 건조 연료: ~720 kg/tHM
• 철광석: ~1,600 kg/tHM
• 첨가제(석회석, 돌로마이트): ~285 kg/tHM
• O₂: ~460 N㎥
• N₂: ~270 N㎥
• 전력: ~190 kWh/tHM
• 내화물: ~1.5 kg/tHM

생산 용선 특성

• C: ~4.5%
• Si: ~0.7%
• Mn: ~0.07%
• P: ~0.07%
• S: ~0.04%
• 온도: ~1,500°C

수출 가스 특성

• CO: ~34%, CO₂: ~43%, H₂: ~13%, H₂O: ~3%
• CH₄ < 1%, N₂/Ar: ~6%, H₂S < 100 ppm
• 분진: 5 mg/N㎥, 압력: 0.1 kg/cm², 온도: ~40°C
• 발열량(CV): 1,300~1,500 kcal/N㎥
• 용선 톤당 약 1.9 기가칼로리 수출 가스 발생

환경적 측면

FINEX 공정은 고순도 O₂ 사용으로 수출 가스 내 N₂ 함량이 낮아 고순도 CO₂ 회수·저장(CCS) 가능. 회수 CO₂는 저장 외에 원유 회수 증진 등 경제적 용도 활용 가능. 추가 정제 후 CO₂ 95% 이상 고순도 CO₂ 생산 가능. CCS 미적용 시 고로 대비 CO₂ 배출률 99%, CCS 적용 시 55% 수준.

석탄 기반 환원 공정이라 원료 믹스에 따라 유해 물질 발생 불가피하나, FINEX는 오염물질 대부분을 슬래그 내 불활성 상태로 포집하고 방출 탄화수소는 멜터 가스화기 돔에서 파괴하므로 유해 물질 배출 매우 낮음. 톤당 용선 기준 배출량: 분진 ~58 g/t, SOx ~32 g/t, NOx ~94 g/t.

FINEX 공정의 장점

1. 저급 미세 철광석을 산화물 원료로 직접 활용
2. 비코킹 석탄을 환원제로 사용
3. 환원 공정과 용융 공정 독립 제어 가능
4. 설비·운영비 대폭 절감으로 경제성 우수
5. 환경적 이점(저배출, CCS 용이)
6. 원료 선택과 운영 유연성(고알루미나 철광석 등 저급 광석 활용 가능)
7. 고로 용선과 동등한 품질의 용선 생산
8. 고발열량 수출 가스 다용도 활용(발전, DRI, 화학제품)
9. 상업적 검증 완료된 대안 제철 공정
10. 기존 제철소 브라운필드 적용 시 고로와 시너지 효과