HIsarna 제철 공정: 초저탄소 강철 생산 기술

HIsarna 공정 개요

HIsarna 공정은 철광석 분광과 석탄에서 직접 용선을 생산하는 용융 환원 공정입니다. 철 제조 공정에서 탄소 배출을 대폭 감축하기 위해 개발된 새로운 잠재적 고효율 제철 방식입니다. 유럽 제철사들의 ULCOS(초저탄소 제강) 컨소시엄 주도로 개발되며, 리오 틴토의 HIsmelt 기술과 타타 스틸 에이마위덴의 Isarna 기술이 결합되었습니다. 고로 공정에서 필요로 하는 원료 전처리 공정을 생략합니다. 공정은 Isarna 기술의 사이클론 컨버터 퍼니스(CCF)에서 철광석 분광 예비 환원과 HIsmelt 공정의 용융 환원 용기(SRV)에서 철 용융 제련으로 구성됩니다. 공정명은 두 기술 이름 결합('HI' from HIsmelt + 'sarna' from Isarna, 켈트어로 철)로 명명되었습니다. 탄소와 비용 모두 절감합니다. HIsarna 공정은 상부에 좁은 사이클론 퍼니스, 하부에 넓은 컨버터를 가진 특수 반응기에서 진행됩니다.

결합 공정은 현재 평균 고로 기술 대비 약 20% 더 에너지 효율적이며 톤당 용선 생산 시 온실가스 배출이 적습니다. 주로 소결과 코크스 생산이 불필요하기 때문입니다. 생산된 용선은 통상 전로에서 강철로 가공 가능합니다.

HIsarna 공정은 철광석을 상부에서 주입하는 반응기로 구성됩니다. 광석은 고온 사이클론에서 용융되어 반응기 하부로 낙하하고, 여기서 분말 석탄이 주입됩니다. 분말 석탄은 용융 광석과 반응하여 고품질 강철 제조 기본 소재인 용선을 생산합니다. HIsarna 반응기에서 배출되는 가스는 주로 고농도 이산화탄소(CO₂)입니다.

전체 HIsarna 컨셉: 2단계 대향류 접촉

전체 HIsarna 컨셉은 철광석과 공정 가스 간 2단계 대향류 접촉을 포함합니다. 두 단계 모두 운전 온도가 용융 온도 이상입니다. 1단계에서 용융 부분 환원 광석이 CCF에서 SRV로 하향 유입됩니다. 두 단계는 물리적으로 고도로 통합되어 단일 제련 반응기에서 수행됩니다(그림 1).

그림 1 HIsarna 공정 반응기

기술 개발 역사

사이클론 기술을 철광석 환원에 적용하려는 최초 시도는 1960년대 Koninklijke Hoogovens에서 있었으나 중단되었습니다. 1986년 또 다른 진지한 시도가 있었으나 경제 위기로 1990년대 초까지 보류. 1990년대 중반 코크스 공급 부족으로 프로젝트 재개. CCF 기술은 15~20 tph 광석 공급 용량 파일럿 규모로 개발. 1999년 고로 분탄 주입 성공으로 다시 중단.

HIsmelt는 1980년대 CRA(현 리오 틴토)가 독일 막스휘테 2 tph 파일럿 플랜트로 시작, 1990년대 서호주 퀴나나 8 tph 파일럿 플랜트로 이어짐. 2001년 리오 틴토가 뉴코, 미쓰비시, 수강과 제휴하여 퀴나나에 연산 80만 톤 상업 규모 HIsmelt 플랜트 건설. 2003~2005년 건설, 2005~2008년 운영, 약 40만 톤 용선 생산. 부대 설비 문제로 저가용성과 내화물 손상 겪었으나 생산율과 가용성 꾸준히 개선되어 2008년 4분기 일일 1,800톤, 90% 가용성 달성. 헤마타이트 제련 시 설계 생산률 매칭으로 공정 검증 완료.

2004년 EU 철강 산업 탄소 발자국 감축 압력으로 ULCOS 컨소시엄 설립. 2005~2007년 사이클론 기술이 4대 고잠재력 기술로 선정. 사이클론 퍼니스 후사이클론 부분 이전 문제 이론적 해결책 발견. ULCOS가 리오 틴토와 합의로 HIsmelt 기술 도입하여 윈윈 기술 결합. 유럽 ULCOS 지원 파일럿 플랜트 프로젝트 추진. 두 기술 결합으로 HIsarna 공정 탄생.

CCF와 SRV 통합 공정

CCF에서 미분광 예비 환원과 용융이 용융 사이클론에서 수행됩니다. 철광석과 산소가 뜨거운 제련 가스 존재 하에 CCF 유닛에 주입됩니다. 이 공정은 1986~1989년 개발된 '전환 고로'(CBF)에서 유래했습니다. CBF 공정에서는 덩어리 광석이 샤프트 퍼니스에서 고도 예비 환원되고 최종 환원과 용융은 미분탄이 가스화되는 철 욕조에서 수행. 코크스 제조는 회피 가능하나 광석 응집과 관련 환경 문제는 회피 불가. 공정에서 광석 응집을 추가 제거하기 위해 미분광 예비 환원과 예비 용융용 용융 사이클론 적용 CCF 개발.

HIsarna 공정은 반응기 내 석탄 예열과 부분 열분해, 광석 용융용 용융 사이클론, 최종 광석 환원과 철 생산용 SRV를 결합합니다. 용융 사이클론과 SRV는 고도로 통합되어 단일 제련로로 운전. 미분광과 플럭스가 산소와 함께 용융 사이클론에 공급. 고순도 산소로 SRV 배가스가 사이클론 하부에서 연소. 연소는 가급적 완전 연소로 상당한 열 발생. 이 열로 철광석 용융 및 SRV 온도(약 1,450°C)까지 가열. HIsarna 공정은 CCF와 SRV 결합 제련 용기에서 수행(그림 2).

그림 2 HIsarna 제철 기술

HIsarna 공정은 야금용 석탄 불필요, 더 널리 이용 가능한(저비용) 열탄 사용 가능. 철광석 측면에서 인을 슬래그로 배제 능력 보유. 약 90% 인이 슬래그로 보고(슬래그 내 5~6% FeO의 상대적 산화 조건 직접 결과). 인 내성은 세계 일부 지역에서는 주요 이슈 아니나, 통상 인 함량 과다로 간주되던 특정 철광석 활용 가능성 개방. 비전통적 광석으로 티타노-페라이트 광석 사용 가능성도 열림. 이 철광석은 고이산화 티타늄과 55~60% 철 함량 특징.

고알루미나 철광석은 소결 특성 불량과 고로 생산성 저하로 고로 루트 부적합. HIsarna 공정은 슬래그 내 고FeO가 천연 플럭스 역할을 하여 고알루미나 슬래그 운전 가능. 이 특징들로 HIsarna는 고알루미나 철광석 사용에 매우 강력한 위치.

HIsarna 공정 순차 단계

1단계: CCF 부분 - 철광석 분광과 순수 산소를 제련 용기 CCF 부분에 주입, SRV 부분에서 나온 뜨거운 배가스를 산소로 연소. 미분은 기체 원심 흐름에 의해 기체와 분리. 생성된 열로 광석 용융 및 부분 환원. 환원 반응: Fe₂O₃(s) + 2CO(g) = 4FeO(l) + 2CO₂(g). 부분 환원 용융 광석이 중력으로 아래 SRV로 하강. 사이클론 생성물은 Fe₃O₄와 FeO 용융 혼합물. 예상 온도 약 1,450°C, 예비 환원도 약 20%.

2단계: SRV 상부 후연소 열 이용 - SRV 상부에서 후연소(CO→CO₂ 변환) 열 이용이 공정 필수. 후연소 열은 프리보드를 순환하는 슬래그 스플래시에 의해 포집. 스플래시는 후연소 화염으로부터 냉각 패널 보호 역할도 수행.

3단계: 석탄 주입 및 환원 - 캐리어 가스(보통 질소)와 함께 고속으로 석탄을 욕조에 주입. 이 단계 주 공정 목적은 제련 단계에 사용될 탄소 용해. 석탄 주입 조건 중요. 금속 욕조 온도 약 1,400~1,450°C, 금속 내 실리콘 약 0 수준. 망간 등 기타 불순물도 극저농도. 인과 티타늄은 산화물 형태로 슬래그상에 주로 분배.

이 단계에서 용융 광석이 직접 슬래그에 용해. 금속-슬래그 혼합은 석탄 주입 플룸에 의해 생성. 이 금속-슬래그 혼합은 제련을 위한 큰 금속-슬래그 계면적 생성. 금속 내 용해 탄소가 광석 산소와 반응하여 상당량 CO 가스 생성. 반응식: FeO(l) + C(s) = Fe(l) + CO(g). 고흡열 반응으로 용기 하부에서 발생. 이 부분 열평형 유지를 위한 열원 필요. 슬래그 내 산화철은 슬래그/금속 계면에서 환원. 주입 석탄이 탄소 공급과 충분한 혼합 생성. 이 혼합으로 슬래그 FeO 함량 상대적으로 낮고 통상 5~6% 수준.

제련 CO 가스, 이송 가스(질소), 석탄 탈휘발 생성물은 상향 이동 고온 연료 가스 흐름 구성. 가스 상향 이동으로 대량 스플래시 생성, 금속과 슬래그 액적이 제련 용기 상부 순환. 산소가 랜스를 통해 상부 구간에 주입되어 연소 열 생성. 열은 이 액적들에 의해 제련 용기 상부에서 하부로 운반. 고온 연소 구역 통과 액적 수 매우 많아 액적당 평균 단일 통과 온도 상승 10°C 미만. 이로써 산소 포텐셜 구배 손상 없이 하향 열이동 가능(상부 상대적 산화, 하부 강환원).

SRV 부분에서 배출된 부분 연소 가스는 CCF 부분 필요 고온 연료 가스 제공. 이 가스 온도 통상 1,450~1,500°C, 후연소도 약 50%. 후연소(PC) = %PC = 100(%CO₂ + %H₂O) / (%CO + %CO₂ + %H₂ + %H₂O). 사이클론 상부에서 거의 100% 후연소 달성 목표. 이 경우 배가스는 고농도 질소 프리 CO₂. 공정은 CO₂ 저장과 결합에 매우 적합.

반응 생성물은 두 용융 층(상부 슬래그층, 하부 쇼트 금속층)으로 분리. 두 층 개별 출선 가능, 용선은 제강 공정으로 이송.

HIsarna 공정 폐연가스는 산소 기반 공정으로 질소 프리. 완전 활용 가스는 잔여 발열량 거의 없음. 배연가스 처리는 그림 3. CCS(이산화탄소 포집·저장) 미적용/적용 두 경우.

그림 3 CCS 미적용/적용 시 배기가스 흐름

파일럿 플랜트

타타 스틸 에이마위덴에서 시간당 8톤 용선, 연산 60,000톤 용량 HIsarna 파일럿 플랜트 성공적 설계·개발, 2011년부터 여러 캠페인 수행. 타타 스틸과 리오 틴토 공동 개발. 아르셀로미탈, 티센크루프, 포스탈핀, SSAB, LKAB, 폴 우르스 등 추가 파트너들과 추가 테스트·개발 수행. 파트너사 외 EU도 플랜트 상당 자금 지원. 그림 4는 파일럿 플랜트 흐름도.

그림 4 HIsarna 파일럿 플랜트 흐름도

총 5회 캠페인 수행. 1차 캠페인 초기 가동 실패. 나머지 4회 성공. 각 테스트 캠페인 전 버너로 HIsarna 플랜트 반응기 약 1,200°C 예열. 공정 빠른 시동을 위해 고로에서 50톤 레들로 용선 최초 충전. 용선 주입 후 측정된 용선 온도와 조성 기반 최대 시간 슬롯 계산. 이 슬롯 내 공정 시작 필요('동결 화덕' 리스크 회피).

첫 성공적 용선 출선: 2011년 5월 20일. 주입율 설계 용량 60% 달성. 운영 데이터상 공정 예상대로 작동 확인되었으나 더 많은 운전 시간 필요. 운전 시간 기대 미달. 그러나 이론이 실전에서 작동함 입증(원료 전처리 없이 용선 생산) 달성.

2차 캠페인: 2012년 10월 17일~12월 4일. 지속적 기간 용선 생산 목표 달성. 설계 용량 80%로 8~12시간 생산. 마지막 런에서 설계 용량 8 tph 완전 달성.

3차 캠페인: 2013년 5월 28일~6월 28일. 지속적 용선 생산과 다양한 원료 테스트 목표 달성. 최초로 HIsarna 용선으로 강철 제조.

4차 캠페인: 2014년 5월 13일~6월 29일. 수일간 지속적 안정 생산 목표 최종 달성, 다양한 원료 테스트 수행.

5차 캠페인: 2017년 10월, 6개월 테스트 캠페인으로 장시간 용선 생산 입증. 준비 과정에서 설치 대대적 개보수. 완전히 새로운 배가스 덕트 설치로 플랜트 높이 10m 이상 증가(최고점 37m). 파일럿 플랜트 옆 석탄 분쇄, 광석·석회 건조·스크리닝 설비 완공. 저장소에서 주입 지점까지 폐쇄 컨베이어 설치. 원료 저장 용량 2배, 가스 분석 실험실 추가. 전자 모니터링 시스템 완전 재프로그래밍. 캠페인 비용 약 2,500만 유로 추정.

6개월 캠페인 중 강스크랩 사용 테스트. 공정 원료 중 최대 53%까지 스크랩 사용 가능 확인. 이상적 원료 배합 탐색, 강슬래그 재활용 옵션, CO₂ 원료 주입 테스트, CO₂ 포집·저장 가능성 확인(배출 80% 감축 가능). 최종 단계에서 강스크랩과 바이오매스 사용, 50% 이상 CO₂ 감축 달성.

이 캠페인 성공 후 다음 단계는 약 3억 유로 투자 예상 대규모 파일럿 플랜트 설계·건설·테스트. 현재 타타 스틸 에이마위덴 파일럿 플랜트 2~3배 규모로 수년간 테스트 거쳐야 할 전망. 2018년 11월 인도 잠셰드푸르에 신규 대규모 파일럿 플랜트 건설 발표. 연산 40만 톤 용선 용량 계획. 다음 스케일업은 연산 100만 톤까지 확대 예정. 신규 플랜트 건립이 현 에이마위덴 파일럿 플랜트 폐쇄 의미하지 않음. 그림 5는 소각로 도면과 CCF-SRV 반응기 스케일업 치수.

그림 5 소각로 도면과 CCF-SRV 반응기 스케일업

산업 규모 구현 후 HIsarna는 통상 제강 공정 대비 최소 20% 저 CO₂ 배출, 최소 20% 저에너지 사용 주장. 질소 부재 가스, 충분한 CO₂ 함량으로 인한 가스 압축성, 일방향 가스 흐름 특성으로 CCS에 이상적. CCS 고려 시 통상 제강 대비 최대 80% CO₂ 감축 달성 가능. 에너지와 탄소 절감(따라서 비용 절감) 외 HIsarna는 공정 인 90% 슬래그 제거 가능. 통상 고로 공정에서 허용되지 않는 저가 고인광 철광석 사용 가능.

HIsarna 공정 주요 특징과 이점

• 철광석 환원·용융 열을 산소로 생성
• 철광석→소결/펠렛, 코킹 석탄→코크스 변환 공정 불필요
• 저품질 원료 사용 가능
• SRV 생성 일산화탄소가 고온 가스 생성하여 CCF 반응 열 공급
• 20% 더 에너지 효율적, 20% 덜 CO₂ 집약적
• 생성 CO₂ 고순도로 포집·저장·활용 가능, 추가 CO₂ 감축(탄소 발자국 80% 감축) 유도
• 강철 생산 지속가능성 성과 대폭 개선
• 질소 캐리어 가스로 용선 내 탄소 용해
• 에너지 집약적·고오염 공정 불필요
• 공정 탄소 회수 고효율
• 석탄 대신 바이오매스나 천연가스 사용으로 CO₂ 감축 가능
• 다양한 원료 사용으로 투자비와 운영비 절감
• 자본 투자비 대폭 저감, 운영비 대폭 저감으로 용선 생산

HIsarna 공정 매력은 환경적·경제적 이점 결합에 있습니다. 지질 저장용 CO₂ 고비율(최대 80%) 포집 용이. 열탄 대신 야금탄 사용, 저품질 철광석 원료 사용. 분진, NOx, SOx, CO 배출 60~80% 감축.