ULCORED: CO₂ 포집 기술이 적용된 첨단 직접 환원 철 생산 공정

ULCORED 공정 개요

ULCORED는 샤프트로에서 직접 환원철(DRI)을 생산하는 직접 환원(DR) 공정으로, 천연가스(NG) 또는 석탄 가스화로 얻은 환원 가스를 사용합니다. 샤프트에서 나온 오프가스는 CO₂가 포집된 후 공정으로 재순환되며, 포집된 CO₂는 농축 스트림으로 DR 플랜트를 떠나 저장소로 갑니다. DRI 단계에서 생산된 고체 제품은 전기로(EAF)에서 용해됩니다. 이 공정은 2006년 LKAB, Voestalpine, MEFOS가 주도한 팀에 의해 주로 설계되었습니다.

목적 및 특징

ULCORED 공정의 목적은 DRI 생산에 필요한 천연가스 소비를 줄이는 것입니다. 기존 개질 기술을 천연가스 부분 산화(POx)로 대체해 달성했습니다. CCS 장치와 결합하면 고로(BF) 공정 평균 대비 CO₂ 배출을 70% 저감할 수 있습니다.

ULCORED 개념은 공정 가스에서 CO₂를 분리하는 것입니다. CO₂ 포집·저장(CCS) 기술을 이용해 가스 기반 DR 공정의 온실가스 배출을 최소화하고, 동시에 에너지 사용도 최소화하는 방향으로 설계되었습니다. 공정에서 CO₂ 추출·저장이 가능하도록 설계되어 CCS와 유사한 공정 내 포집에 의존합니다.

이 공정은 샤프트에서 나온 일산화탄소(CO) 가스를 수소(H₂)와 CO₂로 전환하는 시프터(shifter)와 CO₂ 제거 장치를 활용합니다. 이는 공정 개념의 새로운 혁신적 진화를 엽니다.

ULCORED DR 공정의 주요 특징

• 공기 대신 산소(O₂) 사용 → 오프가스가 거의 100% CO₂로 압축만 필요
• 천연가스 소요량 15~20% 절감 가능
• 석탄, 바이오매스, 바이오 폐기물 가스화 및 수소를 천연가스 대체제로 사용 가능

ULCORED 개념은 철광석과 가스 기반 직접 환원으로 DRI를 생산하면서 CO₂ 배출 저감 수요를 충족하는 것입니다. 100% 산소 사용, 개질기 대신 POx, CO₂ 없는 환원/과잉 가스 생산용 시프터, 환원제는 천연가스 또는 석탄/바이오매스 가스화 합성가스를 사용합니다. 석탄 가스화로 생산된 환원 가스도 천연가스 대신 쓸 수 있습니다.

천연가스 기반 ULCORED DR 공정

주요 특징

• 개질기 없음
• 히터 없음
• 고압 운전

고압 덕분에 DR 샤프트 내 가스 속도가 낮고 유동화와 미분 배출이 적습니다. 또한 고압으로 CO₂ 제거 장치와 POx 장치가 작아지고, 재순환 압축기 동력 소요도 줄어듭니다.

이 개념의 독창성은 공기 대신 산소를 써서 가스 내 질소(N₂)가 없거나 적다는 점입니다. 개질은 환원 가스 조정을 위한 POx 장치로 수행합니다(그림 1). 이 기술은 천연가스 기존 개질을 부분 산화로 대체해 DRI 생산에 필요한 천연가스 소비를 줄입니다. 일어나는 POx 반응은 CH₄ + 0.5O₂ = CO + 2H₂ (ΔH = -8.6 Kcal/mol)입니다.

부분 탈산화 파일럿 장치는 린데(Linde)에서 H₂ 풍부 공급 가스용으로 새로 설계된 버너로 두 차례 테스트되었습니다. 예열 가스(60% H₂, 40% CH₄)를 튜브 반응기에 사용했습니다. 파일럿 테스트 결론:

1. 버너와 반응기가 문제 없이 운전됨
2. 현저한 소음 없이 안정된 화염 획득
3. 예상 그을음 생성량: 300~460 mg/N㎥(습가스 부피 기준)
4. 대기압 운전으로 CO₂와 CH₄ 함량이 평형 가정 사전 계산치보다 높음. 7 kg/㎠까지 운전 압력 높이면 이 함량 감소 가능

DR 샤프트는 투예르에서 주입되는 환원 가스와 위에서 냉간 투입되는 철광석이 향류로 흐릅니다. 로 압력 6 kg/㎠, 온도 약 900℃로 운전합니다. 샤프트 오프가스는 주로 CO, CO₂, H₂, H₂O로 구성됩니다.

샤프트 오프가스(주로 CO, CO₂, H₂O)는 시프터(1단 또는 2단)를 거쳐 CO를 H₂로 전환합니다. 수성가스 시프터 사용으로 환원 샤프트 내 H₂ 함량이 높아집니다. 수성가스 시프터 반응: CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂ + H₂. 샤프트 오프가스 내 CO 거의 전부가 H₂로 전환되고 CO₂는 CO₂ 제거 장치에서 제거됩니다. 과잉 가스 생산 증가로 CO₂ 제거 장치와 O₂ 생산 동력 수요가 늘어납니다. 적정 과잉 가스 수준 계산은 반복적 과정입니다. 예상 과잉 가스 수준이 더 높게 추정됩니다. DRI 톤당 2.2 기가칼로리 과잉 가스로 추가 동력 수요 보상 예상. 이는 일부 가스를 시프터로 직접 바이패스해 달성합니다. 바이패스 양은 환원 샤프트로 들어가는 환원 가스 특성에 따라 결정됩니다. 시스템 내 가스량 증가로 시프터와 CO₂ 제거 장치에 추가 투자가 필요합니다.

시프터 장치에서 CO 전환 반응은 발열 반응이며, 평형은 높은 증기/가스 비율과 저온에서 CO 전환에 유리하고 압력 영향은 받지 않습니다. 단열 시스템에서 달성 가능한 CO 슬립은 출구 온도에 의해 결정됩니다. 단일 촉매층 전환은 평형 제한을 받으며 반응 진행에 따른 고온이 추가 반응을 제한합니다. 이 한계는 고온 시프트 후 저온 시프트, 층간 냉각으로 구성된 2단 시스템으로 극복 가능합니다. 저온 운전이 가장 유리한 열역학적 평형과 최소 CO 슬립을 줍니다. 최신 H₂ 플랜트 대부분은 저온 시프트 반응기 상류에 냉각 시스템을 둬 이슬점 근처에서 운전합니다. 냉각기에서 생길 수 있는 물방울 완전 증발 위해 이슬점 이상 안전 마진을 둡니다.

증기 비율에 따라 저온 시프트 반응기는 190℃까지 응축 우려 없이 운전 가능합니다. 개념상 탑가스는 고온·저온 시프터를 거쳐 중간에 열회수하며 통과합니다. 고온 시프터가 CO 97.2% 전환, 저온 시프터가 99.5%까지 완료합니다. 열교환기는 재순환 가스를 가열하며 용량은 뜨거운 측 설정 온도차 50℃ 기준 계산됩니다. 열교환기 초과 열은 응축기/재비열기로 증기 네트워크에 증기 생산.

CO₂ 제거 장치는 가스에서 CO₂를 제거해 H₂ 풍부 환원 가스를 공정으로 되돌립니다. CO₂ 제거 장치는 CO₂ 제거 효율, H₂·N₂ 회수율 분포로 결정합니다. 사용할 수 있는 두 공정은 진공 압력 변동 흡착(VPSA) 공정과 아민 스크러버 공정입니다. CO₂ 제거 장치 선택(VPSA 또는 아민)은 현지 요건에 따라 다릅니다. 잉여 증기가 있으면 에너지 많이 드는 CO₂ 스트리핑을 플랜트 증기 에너지로 할 수 있어 VPSA용 전력 대신 쓸 수 있습니다. 두 기술 모두 장단점이 있어 추가 분석 필요. 둘 다 ULCORED 개념과 호환됩니다. 이미 공정에서 높은 압력이 가능하므로 압력 변동 흡착(PSA)을 VPSA 대신 CO₂ 제거에 쓸 수도 있습니다.

선택 공정 유형은 공정 흐름도와 레이아웃에 영향을 줍니다. VPSA 공정은 극저온과 110 kg/㎠ 압축 포함해 포집 CO₂ 톤당 260 kWh 동력 소요. 아민 스크러버 공정은 고성능 아민(활성 메틸디에탄올아민, aMDEA) 사용 시 전체 공정(아민 + 110 kg/㎠ 압축)에 포집 CO₂ 톤당 저압 증기 약 1.6톤과 160 kWh 동력 소요.

정제된 H₂ 풍부 가스 중 N₂ 함유 부분은 환원 가스 내 N₂ 축적 방지를 위해 공정에서 블리드(bleed) 배출합니다. 블리드 가스는 증기 생산이나 시스템 내 난방에 활용 가능한 고부가가치 가스입니다.

천연가스 기반 ULCORED 공정 흐름도는 그림 2에 나와 있습니다.

석탄 가스화 기반 ULCORED DR 공정

ULCORED에서 CO₂ 저감 효과가 가장 큰 옵션은 석탄 가스화기로 DR 플랜트용 합성가스와 플랜트 내 모든 사용처용 CO₂ 린(lean) H₂ 가스를 생산하는 것입니다. 이 개념은 기존 시스템과 개조 시스템 모두에 적용 가능합니다.

석탄 기반 개념은 기존 석탄 가스화 기술로 환원 가스를 생산하고, 냉식 탈황(기존 기술) 또는 고온 가스 탈황을 거칩니다. 산소를 공기 대신 쓰고 CO₂ 저장을 포함합니다. 수성가스 시프터로 환원 샤프트 내 높은 H₂ 함량 달성. 과잉 H₂ 가스는 플랜트 타 사용처로 공급.

석탄 가스화는 잘 알려진 기술로, 석유·가스 매장 고갈 후 미래 에너지 전환 공정 기술 중 하나가 될 것으로 기대됩니다. 석탄 가스화 기술은 여러 가지 개발되어 있으며 기술 간 차이가 있지만 일반적으로 80% 이상 상대적으로 높은 탄소 전환 효율로 작동합니다. 석탄 가스화의 큰 장점은 합성가스 내 황, 수은 등 오염 물질을 사용 전 효율적으로 정제할 수 있다는 점입니다.

DRI 생산용 샤프트로가 6 kg/㎠ 압력에서 운전되므로, 가스화기 가스 압력을 팽창 터빈으로 낮추며(30 kg/㎠ → 6 kg/㎠) 동력도 회수합니다.

ULCORED DR 공정은 석탄 가스화 장치와 쉽게 통합돼 공정 개념의 독창적 이점을 접목할 수 있습니다. 석탄을 가스화 플랜트에 공급. 합성가스에서 황을 고온 또는 냉식 탈황으로 제거. 정제된 합성가스를 정제된 H₂ 풍부 재순환 가스와 혼합, DRI 쿨러나 고온·저온 시프터 사이 열교환기에서 예열.

가스화기를 ULCORED DR 공정과 통합하는 세 가지 방식이 있습니다. 가스화기를 냉간 합성가스로 통합하거나, 가스화기에서 나온 뜨거운 가스의 열에너지를 활용하는 방식입니다. 세 가지 구성을 그림 3에 나타냈습니다. 정제된 합성가스를 시프터 장치로 직접 바이패스해 시스템용 과잉 H₂ 생산 가능.

산소는 주로 석탄 가스화기에서 소비되지만, 샤프트 앞 소형 POx에서도 환원 가스 적정 온도 보장을 위해 소모됩니다. 시프트 가스는 환원 가스 적정 조성(H₂ 양 증대) 확보 위해 시프터로 바이패스되는 가스. CO₂ 제거는 주 공정 스트림에서 CO₂ 제거 공정으로 분리된 CO₂ 양. 석탄 기반 ULCORED 공정 흐름도는 그림 4에 나와 있습니다.

석탄 가스화기와 시프터를 시스템에 두면 일부 합성가스를 시프터로 직접 바이패스해 DR 플랜트 필요량보다 더 많은 가스를 생성할 수 있습니다. 이 특징으로 제철소용 CO₂ 린 연료 생산이 가능해집니다. 시스템에서 CO₂ 발생원을 하나로 만들어 제철 공정 전체에서 발생하는 CO₂를 기본적으로 포집·저장할 수 있게 됩니다.

ULCORED DR 공정 현황

ULCORED DR 공정에 대한 심층 기초 모델 연구가 완료되었습니다. 펠릿 스케일 모델, 샤프트 모델, 흐름도 시뮬레이션 공정 모델이 포함됩니다. 모델 연구로 DR 공정의 역학을 포함한 기초 이해가 이뤄졌습니다. 흐름도 모델링으로 공정 레이아웃을 최적화해 ULCORED DR 공정을 제철소 환경에 맞췄습니다. 모델링 연구에서 채택한 여러 접근법이 유사한 결과를 냈습니다. 이 연구들은 다양한 시나리오에서 개념 평가의 신뢰할 수 있는 기초를 만들었습니다. 92% 금속화도, 2.76% C의 냉간 DRI 1톤 출력 기준으로 물질 수지, 질량 수지, 에너지 수지, CO₂ 배출량 계산 수행.

흥미로운 옵션 중 하나는 ULCORED DR 플랜트에서 LRI(저환원철)와 통상 또는 N₂ 프리 고로(BF)로 쇳물(HM)을 생산해 추가 CO₂ 배출 저감을 꾀하는 것입니다. LRI는 LKAB 실험 고로에서 성공적 테스트를 고려할 때 DRI 대안이 될 수 있습니다. 금속화도 65%만 환원된 DR 제품(LRI) 테스트에서 고로 상태가 매우 안정적이고 코크스 소비가 200 kg/tHM 미만으로 매우 낮게 나타났습니다.

이 연구 결과 ULCORED DR 공정은 천연가스가 상대적으로 저렴한 곳에서 브라운필드 CO₂ 배출 개선의 '퀵 픽스(quick fix)'가 될 수 있습니다. 고로 루트 일관 제철소에서는 LKAB 실험 고로 성공 테스트를 고려해 LRI가 선택지가 될 수 있습니다.

ULCORED DR 공정은 먼저 파일럿 테스트가 필요합니다. 이는 LKAB가 스웨덴 룰레오(Luleå) 실험 고로 보완용으로 향후 수년 내 건설 예정인 EDRP(실험 직접 환원 파일럿)로를 활용하는 단계가 될 수 있습니다. EDRP 사양: (1) 시간당 1톤 철 생산, (2) 탑가스 재순환, (3) 샤프트로 운전 압력 범위 0~8 kg/㎠, (4) 가스 유량 1,700~3,100 N㎥/hr, (5) 샤프트로 온도 900~1,050℃.

ULCORED는 파일럿과 데모 스케일에서 생존 가능성 입증 후 기존 직접 환원 플랜트 개조 후보가 될 것입니다. 이 또한 10~15년 이상 소요될 것입니다.