다이오스(DIOS) 공정: 고효율 무코크스 제철 기술

다이오스(DIOS) 공정: 용선 직접 제조용 제철 공정

다이오스(Direct Iron Ore Smelting, DIOS) 공정은 용선(쇳물) 생산을 위한 용융 환원 공정입니다. 일본에서 개발된 2단계 공정으로, 분말 또는 입상 비코크스 석탄을 사용하여 철광석 분광을 용선으로 제련하므로 코크스 오븐 플랜트와 소결 플랜트가 필요 없습니다. 철광석 분광은 유동층로에서 예비 환원된 후, 비코크스 석탄 및 플럭스와 함께 용융 환원로에 투입됩니다. 용융 환원로에는 산소가 취입됩니다.

두 단계 공정 구성

1. 예비 환원 단계: 예비 환원로(PRF)에서 철광석 예비 환원
2. 최종 환원 및 용해 단계: 용융 환원로(SRF)에서 최종 환원 및 용해

광석 예비 환원은 SRF 배가스를 이용하여 2단계로 수행되며, 각 단계는 수직로 형태의 유동층 반응기를 사용합니다.

개발 역사

1988년 일본에서 8개 제철사가 공동 연구 프로젝트로 개발을 시작했습니다(이전까지 개별 연구). 통산성(MITI) 후원, 일본 철강 연맹(JISF) 적극 지원으로 1988~1996년 개발 진행.

• 1988~1990년: 핵심 기술 연구(파일럿 플랜트 건설 위한 기반 기술 확립)
  • SRF 열효율 향상
  • PRF 통합 기술
  • 액체 슬래그 배출 기술
  • SRF 스케일업 기술
• 1993년: NKK 게이힌 제철소(현 JFE 홀딩스)에 일산 500톤 규모 파일럿 플랜트 건설·가동. SRF는 개조된 250톤 전로 활용.
• 1993~1995년: 파일럿 테스트 수행. 철광석 분광, 입상 광석, 석탄 직접 사용 가능성 확인. 양질의 경험 축적(긍정적 다수, 일부 부정적).
  • 부정적 결과: 예비 환원도 낮음(보통 30% 미만) → SRF 부담 과중. 유동층 내 철광석 이동 불량 및 스티킹(sticking) 문제 발생.
• 파일럿 데이터 기반 장비 사양 결정. 다양한 원료로 고로 대체 가능한 고열효율 달성을 위한 장비·운전 사양 확정. 수냉식 로체 냉각 기술 확립. 상업 설비 개념 설계 및 경제성 평가(타당성 조사) 수행. 고로 대비 우위성을 입증할 설비·운전 조건 명확화.

상업화 타당성 조사 결과 (일산 6,000톤, 연산 200만 톤 규모)

고로 공정(연산 200만 톤 용선 생산)과 비교 시:

• 투자비 35% 절감
• 용선 생산비 19% 감소
• 석탄 소비량 730~750 kg/tHM (고로 공정과 동등 수준)
• 순 에너지 소비 3~4% 감소
• 제철 공정 CO₂ 배출 4~5% 감소

공정 특징

• 철광석 분광 및 석탄 분광 직접 사용 가능
• 코크스 불필요 → 석탄 종류 제한 없음
• 공정 정지·재시동 용이 → 높은 유연성
• 욕조 교반 강도 최적화로 후연소율(post-combustion ratio) 및 열전달 효율 향상

공정 상세 설명

예비 환원 단계 (PRF)

철광석 분광(크기 0~8mm)을 소결 없이 제1 유동층로에서 약 500°C로 예열하며 약 5% 환원. 제2 유동층로에서 추가 예비 환원(15~25%) 수행. 이 예비 환원에는 SRF에서 정제된 배가스 사용. 제2 단계에서 철광석 온도 약 800°C 도달. 예비 환원된 광석은 SRF로 이송되어 최종 환원 및 용해.

용융 환원 단계 (SRF)

필요 비코크스 석탄(크기 25mm 미만) 대부분을 중력으로 SRF에 투입. 산소를 SRF 상부에서 취입하여 1차 석탄 연소 및 후연소 수행. 산소 랜스는 고속 산소(탄소 산화용, 하드 블로우)와 저속 산소(자유공간 내 후연소용, 소프트 블로우)를 동시에 공급하도록 설계. 생성된 일산화탄소(CO)는 PRF에서 철광석 예비 환원에 활용. SRF 내부 온도 약 1500°C. SRF 하부에 질소 취입으로 욕조 교반.

SRF 내 환원 메커니즘

용융 산화철 환원은 탄소화된 석탄(차, char)과 철 내 탄소에 의해 촉진. SRF 내부에는 세 층 존재:

1. 상부층: 석탄과 부분 환원 광석 혼합물
2. 중간층: 석탄 차와 용융 광석 포함 용융 슬래그
3. 하부층: 용선

SRF 배가스에서 제거된 분진과 PRF 유동층로 배가스에서 제거된 미분은 SRF로 재주입. 추가로 톤당 약 50kg 석탄 미분을 SRF 배가스에 주입하여 배가스 냉각. 이 석탄 탄소가 배가스 CO₂와 반응하여 CO 생성, 휘발분 해리로 CO와 H₂ 추가 발생 → PRF 예비 환원 촉진.

공정 목표 및 소비량

• 후연소율 약 40%, 예비 환원도 20~30% 목표
• 이 조건에서 석탄 소비량 700~800 kg/tHM 예상 (비코크스 석탄 종류에 따라 변동, 고휘발분 석탄일수록 소비량 높음)

DIOS 공정은 1~2 kg/cm² 압력에서 운전하며 상부에서 석탄과 광석 투입. 산소 주입용 상부 랜스, 철광석 예비 환원용 유동층 시스템 보유. SRF에서는 거품 슬래그 층에서 대부분 환원 발생. 배가스 발열량 약 1000~1100 kcal/Nm³ → 발전용 활용 가능.

공정 제어 핵심 6대 요소

1. 예비 환원도: 높을수록 SRF 부담 감소
2. 후연소율: SRF 내 발생 가스 후연소 정도 결정. 배가스 환원 잠재력 및 SRF 열생성 잠재력 평가 지표. 배가스 분석으로 실질적 결정. 약 50% 후연소율과 25~30% 예비 환원도에서 SRF 고효율 달성 관찰. 높은 후연소율은 CO·H₂ 연료 가치를 SRF 내부에서 더 많이 활용 → 석탄 소비 저감.
3. 반응 속도론: SRF 내 산소 취입으로 공정 완료 시간 단축 → 반응 속도론 중요. SRF 생산 속도는 반응 속도론에 의존.
4. 열전달 효율(에너지 효율): SRF 내 생성 열 중 제련에 효과적으로 사용된 열의 비율. 후연소 열을 슬래그와 용선에 효과적으로 전달하여 흡열 반응 유지 및 열손실 상쇄 필요.
5. 생산 원가: 고로 공정 용선 생산 원가보다 낮게 관리 필수.
6. 환경 측면: 배출물 관리하여 고로 루트 대비 우위 확보.

공정 파라미터 및 단위 소비량 (표 1)

표 1 공정 파라미터 및 단위 소비량 대표값
번호	파라미터	단위	값
1	비코크스 석탄 대표 분석	-	-
	휘발분	%	<40
	고정탄소	%	60-88
	수분	%	4-6
	회분	%	8-12
	황	%	<0.6
	입자 크기	%	<30
2	광석 예비 환원도	%	20-30
3	산소 소비	Nm³/tHM	약 500
4	석탄 소비	kg/tHM	700-800
5	전력 소비	kWh/tHM	약 75
6	저압 증기 소비	kg/tHM	약 80
7	배가스	-	-
	량	Nm³/tHM	약 1800
	발열량	kcal/Nm³	1000-1100
	8	에너지 출력	Mcal/tHM	약 1850
9	저압 증기 발생	kg/tHM	약 700
10	발전량	kWh/tHM	약 30
11	배가스 대표 조성	-	-
	H₂	%	15
	CO	%	30
	CO₂	%	20
	N₂	%	15
	H₂O	%	20

제품 품질

DIOS 공정 생산 용선 대표 성분: C ~3.5%, Si <0.05%, S <0.05%, P 0.10%. 용선과 슬래그 모두 탭홀을 통해 출선·출슬래그.

DIOS vs 고로 공정 비교 (에너지 밸런스 및 CO₂ 배출)

장점과 한계

장점

• 저렴한 원료·연료 활용 (비코크스 석탄, 자사 발생 분진 등)
• 소결 플랜트 및 코크스 오븐 플랜트 불필요
• 저운영비
• 직접 전력 소비 낮음
• 순 에너지 소비 낮음
• 원료 종류, 생산 속도 변동, 플랜트 정지·시동에 대한 높은 유연성
• 컴팩트한 설비, 소규모 증설 투자 가능
• 투자비는 동등 용선 생산 고로 공정의 약 65% 수준
• 안정적 고품질 용선 공급
• 석탄 에너지 효율적 활용 기여
• 에너지 공동 생산(열병합) 용이
• 낮은 환경 부하 (저 SOx, NOx, CO₂, 분진, 코크스 오븐 가스 누출 없음)

한계

• 탭핑 온도 높음 (1750~1800°C)
• 고온으로 내화물 마모 심함 → 내화물 소비 많고 재라이닝 위한 긴 가동 중단 필요
• 3개 반응로(PRF 2기 + SRF 1기) 사용으로 공정 제어 다소 복잡
• 예비 환원도 낮음(30% 미만) → SRF 부담 과중, SRF 운전이 공정 성패 좌우
• 스케일업 플랜트 운전 경험 부족 (투자 부재로 상업 규모 플랜트 미건설)