고로 제철 공정 CO₂ 배출 저감 기술 동향

고로 제철과 이산화탄소 배출

대기 중 이산화탄소(CO₂)가 온실 효과로 지구 온난화 주성분임 널리 인정. 1896년 이후 대기 CO₂ 농도 25% 증가. 철강 산업은 에너지 집약 산업이자 주요 CO₂ 배출원으로 기후 변화가 주요 환경 과제로 인식. 2007년 IPCC(기후 변화 정부간 패널) 발표 훨씬 전부터 주요 철강사들은 철강 산업 CO₂ 배출 대응 장기 솔루션 필요성 인식. 따라서 철강 산업은 에너지 소비 개선과 온실가스(GHG) 배출 저감에 매우 적극적.

기후 변화 현 환경에서 철강 산업 내 에너지 비용 절감, 배출 저감, 폐에너지 최대 재사용 끊임없는 추구. 철·강 생산 전통 공정에서 CO₂ 배출 불가피, 특히 고로(BF) 공정은 연료·환원제로 탄소(C) 필요해 철산화물 금속 상태로 환원, 일관 제철소 내 CO₂ 주 발생 공정. 기후 정책 실은 고로 제철 기술 추가 개발 중요 동인.

고로 운전 직면 과제 중 결정적: 탈탄소화. 철강 산업 고로 열효율 증대 큰 진전 있었지만, 궁극적으로 화학 환원제로서 C 필요성과 연관된 탈탄소화 하드 리미트 존재. 1950년대 이래 고로 제철 기술 효율화 위해 상당한 R&D 노력. 내용: (1) 코크스·소결광 품질 개선, (2) 산소(O₂) 농축, (3) 미분탄·천연가스 등 타 환원제 주입, (4) 부담 분포, (5) 측정 기술 등. 1950년대 환원제율 약 1,000 kg/tHM → R&D 노력과 성과 적용으로 1/2로 감소.

통상 고로 환원제 소비 요즘 약 500 kg/tHM로 고전적 고로 운전 하 열역학적 최저값 대비 5% 위 접근. 고로 공정 이제 열역학적 효율 한계 근처 고도 개발 공정. C 수요 근본적 저감이나 열효율 유의미 개선 예상 뚜렷한 주요 개선책 없음. 하지만 고로 주 배출원이므로 산업 환경 영향 완화 노력 필연적으로 고로 제철 공정 집중.

혁신적 제철 기술 필요성

화석 C 소비나 CO₂ 배출 추가 유의미 저감 위해 혁신적 제철 기술 필요. 고로 공정 자체 화석 C 사용·CO₂ 배출 추가 저감 위해 여러 기술 제안: (1) 고로 탑가스 CO 재순환, (2) 바이오매스 활용, (3) 환원제 CO→H₂ 대체, (4) C-린 DRI, HBI, LRI 사용, (5) C 복합 소재 활용, (6) C-린 전기 에너지 사용, (7) CO₂ 포집·저장(CCS) 등. 하지만 필요 접근법: 현 공정 내 잠재력 활용해 배출 저감이나 증산 위한 점진적 개선 제안.

이런 기술 검토 시 경제성과 전체 CO₂ 배출 관련 여러 횡단 주제 고려 불가피. 예: CO₂·공정 가스 화학 원료 활용 시 재열로 추가 연료 구매 필요→일관 제철소 비용, 강재 품질, 총 CO₂ 배출 영향. 추가 검토 대상 솔루션은 개별 측면 다성분 최적화 잠재력 가져야.

미래 고로 운전 핵심 과제: (1) 자본·운영비 대폭 절감해 경제 사이클 전반 지속가능한 자본수익률 창출, (2) 통상 코크스 기반 공정 화학 열역학 결정치 아래까지 실효 CO₂ 배출 저감. 이 과제 대응 위해 여러 기술 기회 식별 필수. 아래 기술.

탑가스 재순환과 탄소 포집 기술

투입 C 감소는 고로 내 가스 환원 평형 제한. 탑가스 탈탄소화·재순환·주입으로 고로 내 가스 환원 강화→직접 환원 비율(흡열 반응) 낮춰 투입 C 감소 가능. 고로 탑가스 재순환(TGR) 대표적 흐름도 그림 1.

고로 루트 탈탄소화 솔루션은 어떤 형태든 탄소 포집 요소 필요. 실질적 CO₂ 저감(50% 초과) 위해 CCS 기술 적용 필요. 업계 컨센서스: 80% 초과 저감 불가능. 탄소 포집 고무적 변형: 고로 제철 공정 탑가스 재순환. CO₂ 배출 크게 줄일 최고 유망 기술로 탑가스 상부 이탈 가스 중 CO, H₂ 재순환 구성.

TGR 기술 주된 원리: 탑가스 CO₂ 제거 후 환원제(CO, H₂) 재사용해 화석 C(코크스) 사용 저감→에너지 소요 저감. TGR-BF 주요 기술: (1) 탑가스 CO₂ 스크러빙·환원 성분 CO, H₂ 샤프트·노심 투예르 주입, (2) 코크스율 저하로 화석 C 투입 감소, (3) 노심 투예르 열풍 대신 순수 O₂ 사용(N₂ 공정서 제거), (4) 탑가스 순수 CO₂ 회수·지하 저장.

대부분 탄소 포집 스킴 저장 연계지만 활용도 고려 가능. 탄소 포집-활용 연계는 현재 관심 연구 분야인 공정 통합 중요 영역 부각. 수집·수송·저장 측면 대비 기존 고로 CCS 시스템 레트로핏 공정 통합 영역 관심 적었음.

고로 운전 대부분 현장 수십 년 운전한 고로 옆 CCS 신설 예상. 가스 품질, 압력, 운영 프로토콜, 고로·C 활용 플랜트 상대적 최적화 등 측면 관련 상당한 공정 간섭 잠재력 존재. 레트로핏과 후속 운전 기존 자산 운영 효율·제품 품질 저해 없이 달성 필요.

공정 통합 영역에서 고도 공정 시뮬레이션·모델링 기술 배치해 일체형 고로·CCS 시스템 조합 최적화. 열유체 모델링, 공정 속도론, 공정 경제 모델링 결합, 핵심 제철 공정 파라미터 이해 정렬 필요. 이런 초점 주면 기존 고로 운전 CCS 적용 실현 가능.

수소 환원

고로 공정 중요 환경 과제: 화학 환원제 C 사용. 열역학적 하드 리미트 있어 큰 공정 변화 없인 추가 C 저감 불가능. 한 가지 공정 변화: C→수소(H₂) 부분 전환. 고 H₂ 함량 환원제 예: 폐플라스틱(CnHm), 천연가스(주성분 CH₄). H₂ 이미 직접 환원 공정 DRI 생산에 사용돼 메커니즘·화학 열역학 기본 이해 존재. 하지만 로 내 H₂ 환원과 C 환원 균형 어디까지 이동 가능한지 추가 공정 연구·혁신 기회.

고로 내 H₂ 환원 촉진 위해 폐플라스틱(WP) 주입 활용. WP 고체로 투예르 주입, 미분탄(PC) 유사 방식. 통상 WP·석탄 공동 주입. WP 연소 에너지는 통상 주입 PC 최소 동등, H₂/C 비율 높아 고로 내 연소·철광석 환원 과정 CO₂ 적게 생성. 또한 H₂가 C보다 유리한 환원제→에너지 소비 저감. WP 주입으로 버시 가스 H₂ 농도 증가. H₂ 환원 화학 반응 속도 CO보다 빨라 버시 가스 H₂ 증가 시 부도아르 반응 정도 감소. CO₂, H₂O 고로 상부 철산화물 환원 탓 존재.

고로 내 H₂ 환원 촉진 다른 방법: 일본 COURSE50 프로젝트서 2008년 착수 연구. 코크스 오븐 가스 개질 H₂ 증폭 기술과 고로 샤프트 환원 가스 주입 기술 추가 개발로 CO₂ 배출 저감 시도. 이 프로젝트 제안 H₂ 환원 기술: (1) 코크스 오븐 가스 개질 H₂ 증대, (2) H₂ 광석 환원 기술, (3) H₂ 환원 고로용 코크스 제조 기술. 프로젝트서 환원 가스 고로 샤프트 주입. 두 가스 운동량 균형으로 샤프트 주입 가스 관통 영역 주입 가스율 비례, 철광석 환원 H₂ 촉진 확인. 하지만 H₂ 환원 흡열 반응→로 상부 온도 유지 특별 주의 필요.

대체 탄소 함유 소재

대체 C 함유 소재: C 복합 응집체(CCA) 또는 C-철 복합체(CIC). 탄소질 소재와 철산화물 혼합 응집체, 금속철 함유 일종 성형 코크스. 탄소질 소재: 코크스 분말, 석탄, 목탄, C 풍부 플랜트 내부 분말, 바이오매스, 폐플라스틱 등. 철산화물: 저품위 철광석, 철 풍부 플랜트 내부 분말 등. C 복합 소재는 철 입자 촉매 효과로 야금 코크스 대비 CO₂ 가스와 현저히 높은 반응성. 통상 C 복합 소재 야금 코크스 대비 약 150℃ 낮은 온도부터 CO₂ 가스 반응.

광석 환원 반응 C 복합 소재로 촉진: (1) 높은 반응성, (2) 용해 손실 반응 시작 온도 낮음. 이런 응집체 활용은 CO₂ 배출 완화뿐 아니라 코크스·에너지 절감 도움. 철-C 근접 거리 이런 응집체서 반응 속도론 현저히 개선. 활용 시 예상 타 이점: (1) 철/C 풍부 플랜트 내부 분말 활용 가능, (2) 가스화 반응-산화철(위스테이트) 환원 커플링 효과로 가스화 온도 저하, (3) CO₂·에너지 집약 광석 제련 공정 의존도 저하.

C 복합 소재 제조법: 저가 철함유 소재와 비코킹/약코킹 석탄 파쇄·배합·브리케팅→샤프트로 가열·탄화. 이 소재 강도 고로 장입재 중요 물성, 브리케팅 밀도화 효과와 샤프트로 비교적 고정밀 온도 제어로 저품질 원료서도 야금 코크스 수준 강도 달성 가능.

C 함유 소재 고로 공정 여러 경로 도입 가능. 소결 공정서 바이오매스·WP 코크스 브리즈 부분 대체. 플랜트 내부 분말 C·철 소스 활용. 코크스 제조서 바이오매스·WP 코킹 석탄 블렌드 첨가 시도. 대체 C 함유 소재 덩어리 형태로 부담 재료와 함께 고로 상부 장입하거나 C 풍부 플랜트 내부 분말·바이오매스 투예르 주입.

고로 핫스토브 내 배가스 재순환

핫블라스트 스토브용 '배가스 재순환(FGR)' 신기술 개발 중. 이 기술: 스토브 공기-연료 연소→산소-연료 연소 전환해 배가스 CO₂ 비율 증가. 화염 온도 폐가스 스토브 버너 재순환으로 완화. 통상 공기-연소 스토브 운전과 강화 산소-연소 운전(FGR 채용) 개략 비교 그림 2.

스토브 FGR 운전: 연소 생성물 정량 유량 또는 정적 유량 기준. 정량 유량→대류 열전달 통상 공기-연소 대비 불변, 뜨거운 배가스 재순환으로 스토브 연소 에너지 소요 저감. 정적 유량 옵션: 배가스 재순환 시 연소 생성물 밀도 증가 기인. 이 모드서 열회수와 버너 개싱율 증가 결합→더 높은 열풍 온도, 고로 코크스 소비 저감 잠재력.

탄소 포집 잠재력 고려: 배가스 CO₂ 함량 통상 스토브 가열 관행 대비 본질적으로 2배. 질량 기준 배가스 CO₂ 0.8 t/tHM, 현재 비배출량 1/3 초과. 이 시설 위해 필요 O₂ 생성(공기 분리 플랜트 운전 동력 소비) CCS 이익 약간 감소→순 배출 저감 잠재력 약 6% 감소.

스토브 FGR로 연소 공정 공기와 코크스 오븐 가스 둘 다 제거. 황산화물·아산화질소 생성 대폭 저감. 이 개발 중 신기술 구체적 목표: (1) 개조 배가스 CO₂ 40~50% 확인, (2) 폐열 회수·스토브 열효율 향상 검증, (3) 고로 공급 열풍 온도 유지·증가 확인으로 고로 운전 부정 영향 회피.