에너지론 직접 환원: 청정하고 비용 효율적인 철 생산 기술

에너지론 직접 환원 기술(Energiron Direct Reduction Technology)

에너지론 직접 환원 기술은 가스 기반 직접 환원 기술입니다. 에너지론 공정은 철광석 펠릿이나 럼프를 금속 철로 변환합니다. 테노바(Tenova)와 다니엘리(Danieli)가 공동 개발한 HYL 직접 환원 기술을 사용하며, 액체 강 생산비 절감을 위한 경쟁력 있고 환경적으로 청정한 솔루션입니다. 단순한 플랜트 구성, 다양한 환원 가스 공급원 활용 유연성, 철광석의 매우 효율적이고 유연한 사용이 특징입니다. 많은 공정 이점의 핵심 요인은 가압 운전과 직접 관련됩니다.

에너지론(Energiron)은 에너지론 직접 환원 기술로 생산되는 직접 환원 철(DRI) 제품명입니다. 이 제품은 제강 공정에서 실현되는 상당한 에너지를 담고 있어 그렇게 명명되었습니다.

에너지론은 탄소(C) 함량이 1.5~5.0% 범위에서 제어 가능한 고금속화 제품입니다. 높은 C 함량은 전기로(EAF) 용해 공정에서 화학 에너지를 생성합니다. 에너지론 DRI의 독특한 안정적 특성은 브리케팅 없이 표준 IMO(국제해사기구) 가이드라인에 따라 안전하고 쉽게 수송할 수 있게 합니다.

공정은 사용자 특정 요구사항에 따라 세 가지 제품 형태 생산에 유연합니다. 세 가지 에너지론 DRI 형태: 냉간 DRI, HBI(열간 브리케팅 철), 열간 DRI('하이템프(Hytemp)' 철, 배출 온도 700℃ 초과). 냉간 DRI 배출은 보통 직접 환원 플랜트 인근 제강 공장에서 사용. 수출도 가능. HBI는 열간 배출 DRI를 브리케팅 후 냉각한 것. 통상 해외 수출용 상업 제품. 하이템프 에너지론은 열간 배출 DRI를 공압 이송으로 직접 환원 플랜트에서 인근 제강 공장 EAF로 직접 공급.

초기 개발은 힐사(Hylsa)가 수행. 1977년 힐사가 HYL 테크놀로지스 신설 운영 부문 설립해 직접 환원 기술 정식 개발/상업화. 2005년 테크인트 테크놀로지스(Techint Technologies)가 HYL 테크놀로지스 인수. 이후 이 부문은 테노바 HYL로 명명. 2006년 테노바와 다니엘리가 '에너지론' 상표로 가스 기반 DR 플랜트 설계/건설 전략적 제휴 체결. 최초 상업 규모 HYL ZR(제로 리포머) 공정 플랜트 1998년 가동. 연산 200만 톤 규모 최초 신세대 에너지론 ZR 플랜트 수에즈 스틸(Suez Steel) 설치. 단일 모듈 기준 세계 최대 연산 250만 톤 에너지론 플랜트 누코어 스틸(Nucor Steel) 설치.

에너지론 직접 환원 공정

에너지론 직접 환원 공정은 샤프트 환원로(shaft reduction furnace)를 사용해 DRI를 생산합니다. 고체-가스 이동층 샤프트로에서 환원 가스를 사용해 철광석 펠릿/럼프를 금속 철로 변환하도록 설계됐습니다. 산소(O₂)는 수소(H₂)와 일산화탄소(CO) 기반 화학 반응으로 철광석에서 제거돼 고금속화 DRI 생산. 공정은 최종 사용자 맞춤 세 가지 에너지론 제품 형태 생산에 유연. 공정 핵심은 금속화도와 제품 탄소(C) 독립 제어. 에너지론 직접 환원 공정은 ZR 스킴 기반.

고온 환원 가스가 환원 구역에서 샤프트로 내부로 공급됩니다. 로 내부에서 이 가스들은 철 부담 이동층과 대향류로 상향 흐릅니다. 가스 분포는 균일하며, 고체나 기체 흐름에 물리적 제한 없이 기체-고체 간 높은 직접 접촉도 달성. 배기 가스(탑 가스)는 샤프트로에서 약 400℃로 배출돼 탑 가스 열회수기 통과, 가스 에너지로 증기 생산. 대안으로 배기 가스 에너지를 환원 가스 예열에 활용 후 냉각수 이용 퀜칭/스크러빙으로 배기 가스 냉각.

스크러빙된 냉각 가스는 냉각 가스 재순환 압축기 통과 후 샤프트로로 재순환되며, 천연가스(NG)가 보충됩니다. NG는 최적 효율과 냉각/탄화 공정 제어를 위해 냉각 가스 회로에 보충 주입.

철광석 산소 제거는 고온 환원 가스 작용으로 이루어지며, 이후 제품 탄화. 샤프트로 하부 로터리 밸브가 환원로를 통한 하향 중력 흐름 연속 조절. 에너지론은 가압 빈(bin)과 록(lock)으로 구성된 자동화 메커니즘으로 배출. 특수 설계 흐름 피더가 샤프트로 내 고체 균일 흐름 보장. 냉간 DRI용 냉각 가스는 로 하부 원추부에 약 40℃로 공급돼 DRI 이동층과 대향류로 상향 흐름.

열간 제품 배출/사용 시 냉각 회로 생략, 700℃ 초과 열간 DRI 연속 배출. '하이템프' 공압 이송 시스템에서는 반송 가스로 제품을 제강 공장 서지 빈(surge bins)으로 이송, EAF 제어 공급. HBI 생산 시 700℃ 초과 열간 DRI 연속 배출해 하부 열간 브리케팅 기계로. HBI는 진동 냉각 컨베이어에서 냉각수 사용 냉각 후 HBI 이송 컨베이어로 배출.

에너지론 공정 흐름 내장 특징 중 환경적으로 중요한 것은 환원 공정 부산물인 물(H₂O)과 이산화탄소(CO₂) 선택적 제거. 이들은 각각 탑 가스 스크러빙과 CO₂ 제거 시스템으로 제거. H₂O와 CO₂ 선택적 제거가 보충 요건 최적화. 환원 공정 중 생성된 H₂O는 응축 제거되며 가스 동반 분진 대부분도 분리. 스크러빙 가스는 공정 가스 재순환 압축기 통과, 압력 상승. 압축 가스는 CO₂ 제거 장치 통과 후 NG 보충과 혼합돼 환원 가스 회로 폐쇄.

에너지론 ZR 스킴 특징: (i) H₂ 풍부 환원 가스 활용(H₂/CO 비율 약 5), (ii) 고환원 온도(보통 1050℃ 초과), (iii) 이동층 샤프트로 내부 고작동 압력(보통 6~8 kg/cm²). 고작동 압력 효과: (i) 저유동화, (ii) 미분 투입량 증대, (iii) 높은 생산성(약 10 t/hr/m²), (iv) 철광석 소비 저감, (v) 저환원 가스 속도(약 2 m/s), (vi) 저압축 계수로 전력 소비 저감. 결과: 소형 샤프트로, 고체층 내 균질 가스 분포 촉진, 저항력(less dragging force)으로 탑 가스 비산 분진 손실 최소화(1% 미만). 이는 프라임 에너지론 품질 표준편차 매우 낮게 하고 전체 철광석 소비 저감(스크리닝 3.2mm, 리멜트 없음 기준 DRI 톤당 약 1.4톤 철광석). 이는 전체 운전비 절감. 외부/내부 리포머 없는 이 공정 스킴 또 다른 특징은 DRI 탄화 탄력성 확대.

공정 자동화

에너지론 공정은 원하는 화학 반응 세트와 다양한 기체/액체/고체 상 간 열/물질 교환 최적화를 위해 최적화돼야 할 서로 다른 복합 물리화학 공정 결합. 최신 공정 제어기, 소프트웨어 진단, 고가용성, 페일세이프 기능 분야 최신 기술 활용 완전 자동화 시스템 사용. 공정은 5,500개 이상 아날로그/디지털 변수로 제어되며 자동화 시스템이 자동 분석. 현장 계기에서 오는 모든 공정 변수는 다양한 수집 시스템(PLC, HMI)에 의해 지속 수집돼 공정 지속 모니터링/최적화용 가치 정보 제공. 에너지론 공정 고급 소프트웨어는 통합 데이터 수집, 분석, 웹 리포팅을 강력한 통계 도구로 관리해 의사결정 지원. 이는 실시간 최적 세트포인트 탐지로 공정 효율 추가 최적화 가능케 해 상당한 에너지 절감 달성.

에너지론 제어 시스템은 장비 제어용 전통적 레벨 1 시스템 '분산 제어 시스템(DCS)'과 레벨 2 시스템(공정 감독, 데이터 추적, 생산 리포트 생성뿐 아니라 공정 최적화용) 아키텍처 기반. '공정 재구성 모델(Process Reconstruction Model, PRM)' 개발. PLC 계기 신호와 물리 방정식 사용해 플랜트 상태 완전 기술. 이로써 탑 가스 조성, 관련 레독스 비율 등 통상 측정 불가 항목 계산 가능.

공정 반응

공정 중 세 유형 화학 반응 발생: (i) 리포밍 반응, (ii) 환원 반응, (iii) 탄화 반응. 현장 정제 중 발생 반응:

2CH₄ + O₂ = 2CO + 4H₂
CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂
CH₄ + H₂O = CO + 3H₂
2H₂ + O₂ = 2H₂O
CO₂ + H₂ = CO + H₂O

환원 중 및 DRI 탄화 중 발생 반응:

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O
3Fe + CH₄ = Fe₃C + 2H₂
3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂
3Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

표준 에너지론 공정 흐름도는 그림 1에.

그림 1 에너지론 공정 흐름도

에너지론 공정 대표 에너지 밸런스는 그림 2에.

그림 2 에너지론 공정 대표 에너지 밸런스

플랜트 및 설비

에너지론 직접 환원 플랜트는 주로 다음 플랜트/설비와 특징으로 구성:

• 이동층 보유 샤프트 환원로. 철 부담 장입 시스템과 제품 배출 시스템 갖춤.
• 환원 가스 회로: 공정 가스 히터, 탑 가스 열회수기, 탑 가스 퀜칭/스크러빙 유닛, 환원 가스 재순환 압축기, 가습 타워, 녹아웃 드럼.
• 로 운전: 최소 NG/물 소비, O₂ 주입.
• 제품 배출 시스템: (i) 냉간 DRI 생산용 쿨러, (ii) HBI 생산용 열간 브리케팅 기계, (iii) 하이템프 공압 이송 시스템(샤프트로 열간 DRI 직접 EAF 이송).
• 외부 냉각 가스 회로: 퀜칭/스크러빙 유닛, 냉각 가스 재순환 압축기.
• 흡착 시스템: PSA(압력 변동 흡착) 기반 CO₂ 제거(환원 가스 스트림).
• 철광석 취급 설비: 서지 빈, 이송 컨베이어, 선별 스테이션, 펠릿 코팅 시스템, 공급 컨베이어, 샘플링/계량 유닛.
• DRI 취급 시스템: 냉간 DRI 이송용 컨베이어 등 관련 설비.
• 냉각탑, 여과 설비, 펌프.
• 공정 냉각수 시스템: 폐회로 기반 물 소비 최소화, 정화조, 침전지.
• 공정 제어/계장 시스템: 마이크로프로세서 기반 분산 제어.
• 전기 변전소, 전동기, 조명.
• 불활성 가스 시스템: 보통 질소(N₂) 가스 기반.
• 에어 컴프레서.

운전 파라미터 및 단위 소비량

에너지론 ZR 공정 제품 대표 특성은 표 1에.

표 1 제품 대표 특성
No.	항목	단위	DRI	HBI	하이템프 철
1	금속화도	%	92~95	92~95	92~95
2	탄소	%	1.5~5.5	1.5~2.5	1.5~5.5
3	온도	℃	40	40	>600
4	벌크 밀도	t/m³	1.60	2.50	1.60
5	겉보기 밀도	t/m³	3.20	5.00	3.20
6	공칭 크기	mm	6~15	110×60×30	6~15
7	Fe₃C	%	25~60	25~30	25~60

에너지론 ZR 공정 대표 운전 파라미터와 단위 소비량은 표 2에.

표 2 에너지론 ZR 공정 대표 운전 파라미터 & 단위 소비량
No.	항목	단위	냉간 DRI		HBI	열간 DRI
1	탄소	%	4.5	2.5	2.5	4.5	4.5
2	금속화도	%	93	93	93	93	93
3	DRI 온도	℃	40	40	700	700	700
4	철 부담	t/t	1.36	1.39	1.41	1.36	1.39
5	천연가스	Gcal/t	2.25	2.20	2.23	2.35	2.25
6	전력	kWh/t	65	65	80	65	65
7	산소	Nm³/t	42	53	53	48	53
8	물	m³/t	0.8	0.8	1.1	0.8	0.8
9	질소	Nm³/t	12	12	19	18	18

에너지론 ZR 공정 대표 배출량은 표 3에.

표 3 에너지론 ZR 공정 대표 배출량
No.		배출 물질	단위	값
1	초저 NOx 버너 시 NOx		mg/Nm³	50~80
2	선택적 촉매 환원 시 NOx		mg/Nm³	10~50
3	CO		mg/Nm³	20~100
4	히터/리포머 스택 분진		mg/Nm³	1~5
5	물질 취급 집진 분진		mg/Nm³	5~20

에너지론 ZR 공정 특징

에너지론 ZR 공정은 직접 환원 플랜트 크기 축소와 효율 향상 달성. 환원 가스는 환원 샤프트로 내부에서 천연가스 탄화수소 현장 리포밍으로 생성. NG를 환원 가스 회로 보충재로 공급하고 O₂를 샤프트로 입구에 주입. 공정 내 환원 구역에서 환원 가스 생성으로 최적 환원 효율 달성. 이로 인해 외부 환원 가스 리포머 불필요. 보통 에너지론 ZR 공정 전체 에너지 효율 80% 초과, 샤프트로 내부 현장 리포밍으로 최적화. 제품이 공정 공급 에너지 대부분 가져가며 대기 에너지 손실 최소화.

외부 가스 리포머 제거로 플랜트 크기 영향 상당. 연산 100만 톤 기준 면적 요건 약 60% 감소. 이는 DR 플랜트 제강 공장 인근 입지 용이케 함.

에너지론 ZR 공정 추가 이점은 DRI 탄화 유연성으로 C 레벨 5% 달성 가능. 샤프트 내부 가스 개선된 탄화 잠재력으로 주로 Fe₃C 생산 가능. 고 Fe₃C 함량 DRI는 정상 DRI보다 훨씬 낮은 반응성(Fe₃C 해리 위해 더 높은 해리열 필요).

에너지론 직접 환원 공정 운전 조건: 고온(1050℃ 초과), 부분 연소로 생성된 H₂O/CO₂ 산화제 존재(O₂ 주입). 이 조건들이 현장 탄화수소 리포밍 촉진. H₂/CO 생성 후 철광석 동시 환원과 DRI 후속 탄화가 반응기 내부에서 일어나 에너지 이용률과 전체 에너지 소비 측면에서 매우 효율적.

기본 에너지론 ZR 스킴은 NG 직접 사용 허용. 에너지론 공정 사용 플랜트는 통상 증기-NG 리포밍 설비를 환원 가스 외부 공급원으로도 사용 가능(가스 기반 직접 환원 공정 오랜 특징). NG 대신 H₂, 석탄 가스화 시스템 생산 합성가스, 펫콕 등 화석연료, 코크스 오븐 가스(COG) 등도 특정 상황/가용성에 따라 환원 가스 잠재 공급원. 어떤 경우든 같은 기본 공정 스킴 사용.

에너지론 ZR 기술 독특 특징: DRI 내 제어된 고탄소 레벨을 탄화철(Fe₃C) 형태(보통 90% 초과)로 생산 가능. 환원 구역 반응기 내 조건으로 DRI 탄소 레벨 5%까지 달성. 조건: 고메탄(CH₄) 농도(약 20%, H₂/CO와 함께), 고층 온도. 이 조건이 철 매트릭스 내 C 확산과 Fe₃C 침전 촉진. 고 Fe₃C 함량 DRI는 정상 DRI보다 훨씬 낮은 반응성.

에너지론 직접 환원 플랜트 중요 특징: 제로 보충 물 요건 공정 설계 가능. 이는 물이 환원 반응 부산물로 응축/제거되기 때문. 결과적으로 물 열교환기 사용 폐회로 수계 시스템 채택 시 신규 보충 물 불필요, 실제 배터리 리밋에서 소량 물 스트림 가용.

에너지론 직접 환원 플랜트 배출

에너지론 플랜트 배출은 최고 엄격 환경 규제 준수. 이는 공정 자체 성격 덕분. 에너지론 기술은 공정 구성상 효율적 설계. 따라서 플랜트 전체 열효율 높게 달성하면서 리포머(사용 시)나 히터에서 연소 공기 고온 예열 불필요, 고 NOx 생성 가능성 제거. NOx 배출은 초저 NOx 버너 채택으로 추가 저감. SCR(선택적 촉매 환원) 기술 적용으로 추가 개선 가능.

에너지론은 이용 가능한 매우 청정한 직접 환원 기술. 구성에 따라 에너지론 플랜트 총 CO₂ 배출 60~90% 제거 가능. CO₂ 배출은 DRI 생산용 두 기술 간 상당히 다를 수 있음. NG, 합성가스, COG 중 어떤 것을 사용하든 직접 환원 플랜트 환원 가스 보충재는 탄화수소/탄소 화합물(CO, CO₂) 형태든 C 함유. 직접 환원 공정 구성과 무관하게 DRI 내 결합 C로 15~40%(DRI C 함량 의존)만 공정 이탈, 나머지는 CO₂로 배출.

에너지론 ZR 공정 DRI가 더 높은 C% 함유해 더 적은 C가 CO₂ 형태로 제거. 외부 촉매 리포머 통합 직접 환원 샤프트로 구성(환원 가스 보충 공급원) 시 CO₂ 생성량과 비교 시 차이 명확. 외부 촉매 리포머 통합 구성 시: 공정 총 NG 보충재(톤당 DRI 140kg C) 중 약 25kg C/톤 DRI(17%)가 DRI 일부로 이탈, 나머지는 리포머 플루 가스로 배출. 이는 에너지론 ZR 공정 시 톤당 DRI 110kg C 중 40kg C/톤 DRI(36%)가 DRI 내 존재, 나머지 70kg C 중 65kg C가 순수 CO₂로 선택적 제거(타 용도 활용 또는 격리 가능)와 비교. H₂O와 CO₂ 두 부산물 제거로 공정 가스 이용률 95% 초과. 요약: 에너지론 공정 총 C 투입 약 65%(톤당 DRI 약 240kg CO₂)를 내장 선택적 제거.

에너지론 플랜트는 CO₂ 선택적 회수 독창적 옵션 제공. CO₂ 흡수 시스템은 CO₂ 포집뿐 아니라 공정 가스 스트림 내 황도 포집해 플랜트 전체 SO₂ 배출 약 99% 저감.

H₂ 환원 가스 활용

제철소에서 H₂가 근미래 철광석 환원 공정 에너지원으로 C 대체 예상. 가스 기반 직접 환원 공정에서 H₂가 NG 대체 전망. 에너지론 ZR 공정은 주요 설비 조정 없이 NG 대체 어떤 양의 H₂도 사용 준비 완료. 사실 에너지론 ZR 스킴에서 H₂ 사용은 NG 현장 리포밍 요건 낮아져 더 원활한 운전과 생산성 증대 반영.

환원 샤프트로 입구 70% H₂ 농도 사용이 기존 에너지론 직접 환원 플랜트(증기 리포머로 H₂/CO 생산)에서 이미 입증.

그러나 H₂가 NG 대체 에너지 투입으로 쓰이면 DRI %C 감소 예상. CH₄ 농도 희석 탓. 하지만 에너지론 ZR 스킴 유연한 공정 구성(환원 회로/연료 활용 보충재 분배 측면)에서 35% 에너지 투입 H₂(또는 약 64% 부피 - Nm³/톤 DRI)에서도 3.5% C 달성 가능. 70% H₂ 에너지(약 88% 부피 - Nm³/톤 DRI) 시 예상 DRI C 2.0% 미만.

NSENGI와의 제휴

2014년 테노바 HYL과 다니엘리, 일본제철 엔지니어링(NSENGI)과 에너지론 직접 환원 기술과 최적화 고로 기술, 합성가스 기술(고효율 석탄 가스화, 제철소 부산가스 활용 기술) 결합 상업화 계약 체결. 신규 제휴 목표: 각사 에너지론 DR, 고로, 합성가스 기술 전문성과 R&D 결합, 궁극적으로 CO₂ 배출과 운전비 저감, 생산성 증대 및/또는 통합 제철 설비 자본비 절감하는 신규 제철 기술 개발.