탄소 중립 제강

탄소 중립 제강

철강 생산 산업은 전체 세계 화석 및 산업 배출량 측면에서 가장 큰 단일 부문으로, 온실 가스(GHG) 배출량의 약 7~9%를 차지합니다. 동시에 철강은 현대 산업 사회의 주요 재료 구성 요소입니다. 철강의 추가 소비는 인프라를 확장 및 개선하고 만족스러운 수준에 도달하기에 충분한 속도로 글로벌 생활 수준을 높일 필요가 있기 때문에 발생할 것입니다. 따라서 철강을 재료로 사회적으로 사용할 수 있는 동시에 철강 생산의 부정적인 환경 영향을 피할 수 있는 경로를 찾는 데 어려움이 있습니다.

전통적인 철강 생산 공정은 매우 높은 환경 GHG 배출과 관련이 있습니다. 현재 철강 공장에서 배출되는 배출량은 조강 1톤(tCO2/tCS)당 약 1.8톤의 CO2(이산화탄소) 수준입니다. 지난 수십 년 동안 철강 제조에서 발생하는 GHG 배출량을 줄이기 위한 상당한 노력이 있었지만 철강 부문이 파리 규정에 따라 요구되는 전면적인 배출량 감축을 따라잡으려면 주요 기술 혁신이 실제로 여전히 필요합니다. 금세기의 전환기에 지구 온도 상승을 산업화 이전 수준보다 훨씬 낮은 2도 C 이하로 제한하는 것을 목표로 하는 이 협정은 1.5도 C의 온도 상승이라는 보다 야심찬 목표를 향해 노력해야 한다고 명시하고 있습니다.

탄소는 대부분의 철강 공장에서 철강 생산에서 화학량론적 환원제로 사용되기 때문에 철강 산업에서 배출되는 CO2는 줄이기가 가장 어렵습니다. 이 탄소는 결국 철강 플랜트 가스에서 CO/CO2 혼합물로 되어 연소되어 열, 전기 및 더 많은 CO2를 생성합니다. 탄소 포집 및 저장(CCS), 탄소 포집 및 활용(CCU) 또는 CO2 방지 전략은 철강 생산에 존재하지만 수소 생산을 위한 재생 가능한 전력의 가용성에 크게 의존합니다( H2).

미래 철강 수요에 대한 현재 추정치는 1.4%에서 3.3% 사이에서 변동할 것으로 예상되는 연간 성장률로 매우 다양합니다. 이러한 성장률로 2025년까지 예상되는 철강 수요는 24억 톤에 달합니다. 성장하는 철강 산업의 부분적 탈탄소화는 효율성 개선과 기존 철강 제조 경로에서 재생 가능한 전력의 통합을 통해서만 달성할 수 있는 반면, 완전한 탈탄소화는 새로운 제로 탄소 및/또는 네거티브 배출 기술이 필요합니다. 한편, 현재 진행 중인 상당한 지속적인 연구 개발(R&D) 노력에도 불구하고 철강 생산 공정의 탈탄소화 시도는 대규모 산업 채택 수준에 도달하지 못했습니다. 현재 시나리오에서 철강 제조의 맥락에서 CCS의 실행 가능성과 적용 가능성은 여전히 ​​매우 의심스럽습니다.

기존의 고로/염기성 산소로(BF/BOF) 경로에서 탄소(코크스와 석탄 형태)는 흡열 환원 반응을 유도하고 필요한 고온을 제공하는 데 사용됩니다. 일반적인 BF-BOF 공정은 1.6 tCO2/tCS ~ 2.2 tCO2/tCS를 생성합니다. 철강 관련 배출에 상당한 지역적 차이가 존재하며, 일부 철강 생산 국가는 OECD(경제 협력 개발 기구) 국가에 비해 훨씬 더 높은 CO2 배출 발자국을 가지고 있습니다. 또한 BF-BOF, DRI-EAF(직접환원철-전기로) 및 스크랩-EAF와 같은 다양한 제강 경로 간에도 상당한 차이가 있습니다. 기술 향상을 통해 철강 공장은 지난 50년 동안 BF-BOF 경로가 이제 대부분 최적화된 것으로 간주될 수 있을 정도로 연료 소비율을 꾸준히 감소시켰습니다. 세계에서 가장 효율적인 BF는 현재 CO2 배출량 측면에서 이론상 최소값보다 약 5% 높은 범위 내에서 운영되고 있습니다.

일반 중공업과 특히 철강 산업의 탈탄소화로의 전환은 최근까지 에너지 및 기후 연구 관점에서 많은 관심을 받지 못했습니다. 그러나 산업계의 배출이 발전에 버금가는 수준인 만큼 철강산업에서는 심도 있는 탈탄소화를 위한 완화 조치를 적극 추진해야 한다. 철강 산업을 위한 심층적인 탈탄소화 전략은 아래와 같이 크게 두 가지 경로를 따를 수 있습니다.

• 화석 연료에 대한 고유한 의존성을 제거하기 위해 수행해야 하는 기존 프로세스의 변경. 이 경로는 직접적으로 또는 전기분해에 의해 생성된 H2를 통해 전력 사용에 크게 의존하는 경향이 있습니다.
• 기존 공정을 그대로 유지하고 CCS와 CCU 적용의 조합과 공정 에너지의 재생 가능한 자원으로의 전환을 통해 배출 문제를 해결합니다.

철강 산업에 적용되는 이 두 가지 경로의 분류는 아래에 설명된 대로 구현과 관련된 도전과 기회뿐만 아니라 여러 특성을 가지고 있습니다. 그림 1은 다양한 대안에 대한 예상되는 CO2 배출량 감소를 보여줍니다.

그림 1 예상되는 CO2 배출량 감소

기존 프로세스 변경

저비용 재생 가능한 전기의 가용성이 증가함에 따라 다양한 형태의 전기화가 철강 산업의 탈탄소화를 위한 매력적인 옵션으로 점점 더 많이 인식되고 있습니다. 이를 위해 다양한 기술 솔루션이 제안되었습니다. 더 유망한 기술 중에는 철광석의 전기분해 또는 '전기 획득'이 있습니다. 이것은 산화알루미늄(Al2O3)으로부터 알루미늄(Al)을 생산하는 것과 유사하게 환원제로 전력을 사용하는 것을 수반한다. 이 공정은 아직 개발 초기 단계이며 지금까지 실험실 규모에서만 시도되었지만 장기적으로 큰 배출량 감소를 약속하는 고효율 제강 옵션을 나타냅니다.

전기 획득은 전기를 사용하여 광석에서 금속을 추출하는 데 사용되는 가장 오래된 전해 기술 중 하나입니다. 이 기술은 일반적으로 납, 구리 및 희토류 원소와 같은 금속의 전기 채취에 사용됩니다. 철에 대해 상업적으로 이용 가능한 광석별 전기채취 기술이 몇 가지 있습니다. 및 (iii) 황화철 광석을 사용하여 FeSO4 용액에서 전기 획득하는 Pyror 공정. 그러나 철광석에서 보다 일반적으로 적용 가능한 Fe 전기 채취는 실험실 규모에서만 확립되었습니다. 전기분해에 사용되는 전기 혼합물의 탄소 발자국에 따라 이 경로는 잠재적으로 탄소가 없을 수 있습니다. 전 세계 1차 에너지 공급이 재생 가능한 자원에 의해 지배되는 미래 시나리오에서 이 기술은 상당한 탄소 감소 잠재력을 제공합니다. 현재 유럽 SIDERWIN 이니셔티브는 CO2 배출 및 에너지 소비 감소를 각각 87% 및 31%(BF-BOF 경로와 비교)로 목표로 하는 Horizon 2020 프레임워크에 따른 프로젝트이며 파일럿 규모에서 이 기술을 검증하는 것을 목표로 합니다. , 2022년까지 기술 준비 수준(TRL)을 시연합니다.

최근 제강 분야에서 관심을 받고 있는 또 다른 전해 경로는 철광석의 용융 산화물 전기분해(열전해라고도 함)입니다. 공정은 Hall-Heroult 공정을 통해 Al2O3로부터 Al을 환원시키는 표준 방법과 유사합니다. 여기서 Al2O3는 용융된 빙정석(알루미늄 불화나트륨)의 800℃ 배스에 용해된 다음 흑연의 양극 사이에서 전기분해됩니다(위 ) 및 용융 알루미늄의 음극(아래). 매우 높은 온도에서 철광석 환원을 위한 유사한 공정의 작동은 저온 전기분해 경로에 비해 에너지 소비의 잠재적 감소를 가져올 것으로 예상됩니다. 개념 증명이 입증되었지만 수용 가능한 효율성을 가진 기술적 실현 가능성은 여전히 ​​​​알려지지 않습니다. 문제로는 용융 전해질의 부식성, 적절한 양극 재료의 부족, 초고온 전해 공정에 대한 제한된 기계적 이해 등이 있습니다. 용융 산화물 전기분해에 의한 철강 생산은 고전적인 추출 야금에 비해 잠재적인 경제적 및 환경적 이점을 제공하지만, 즉각적인 탄소 제로 대안으로서 그 실현 가능성이 설득력 있게 입증되지는 않았습니다.

한 연구에서는 4가지 다른 철강 생산 경로, 즉 BF-BOF 참조 사례, 탄소 포집이 있는 BF-BOF(BF-CCS), H2-DRI 및 전기 추출 공정에서 에너지 요구량과 CO2 배출량을 비교했습니다. 전기 획득 경로는 기준 BF-BOF 경우보다 에너지 요구량이 50% 낮았고 H2-DRI 및 BF-CCS가 각각 28% 및 13% 더 낮은 에너지 요구량을 보였습니다. 중요하게도 분석은 BF-CCS 경로를 통해 CO2 배출량을 50% 이상 줄이는 것은 불가능하지만 H2 환원 및 전기 추출 경로 모두 결국 철강 부문의 완전한 탈탄소화로 이어질 수 있다고 결론지었습니다. H2-DRI 및 electro-wining에 대한 시장 진입은 각각 2035년과 2040년까지 예상되지 않습니다.

적철광 감소를 위한 H2의 화학량론적 소비량은 철 톤당 54kg입니다. 1Mtpa(연간 백만 톤) 철강 공장에는 시간당 STP에서 최대 70,000cum의 H2 공장 용량이 필요합니다. 대규모 H2 생산은 현재 메탄의 증기 개질에 의해 달성됩니다. 이 옵션은 유지되고 H2 기반 제철을 위해 최적화될 수도 있습니다. 예를 들어 일반적인 99.9% 플러스 순도 대신 97% ~ 98%의 H2 순도를 목표로 하면 됩니다. 그러나 화석 자원을 기반으로 하기 때문에 현재 추구하는 것과 다른 전략을 나타내는 CO2 포집 장치를 추가하지 않는 한 전반적인 CO2 저감 성능은 평균을 유지합니다. 다른 바람직한 옵션은 필요한 전력에 화석이 없는 경우 물 전기분해로 H2를 생산하는 것입니다. 식물의 크기는 전해조를 곱하여 얻을 수 있습니다. 양성자 교환막 및 고압 또는 고온 전기분해와 같은 새롭고 향상된 기술도 확인되었습니다.

H2 기반 환원에서 철광석은 DRI 경로와 유사한 기체-고체 반응을 통해 환원됩니다. 유일한 차별화 요소는 환원제가 CO(일산화탄소) 가스, 합성 가스 또는 코크스 대신 ​​순수한 H2라는 것입니다. HYBRIT은 'HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology'의 약자로 SSAB, LKAB, Vattenfall이라는 스웨덴 3개 기업의 합작회사입니다. H2 환원을 통해 제강에서 탄소를 완전히 제거하는 것을 목표로 합니다. HYBRIT 프로세스는 상업적 배포에 실질적으로 더 가까운 기술 개념 범주에 속합니다.

HYBRIT 공정은 H2를 환원제로 사용하는 것을 기반으로 하며 H2는 재생 가능한 전기를 기반으로 전기분해를 통해 생성됩니다. 환경적 관점에서 볼 때 이 공정의 가장 중요한 이점은 이 공정의 배기가스가 CO2가 아닌 물(H2O)이므로 결과적으로 GHG 배출량이 감소한다는 것입니다. 기존의 DRI 제강과 마찬가지로 H2 기반 DRI 경로를 사용하여 생산된 철은 상업적으로 이용 가능한 EAF 기술을 사용하여 추가로 강철로 가공할 수 있습니다. H2 생산 및 EAF 제강 단계는 PV(태양광)/풍력/수력 발전 전기분해, 광화학 H2 생산 또는 태양열 물 분해와 같은 재생 가능한 소스를 사용하여 전력 및 H2를 생산하는 경우 탄소를 제거할 수 있습니다. .

HYBRIT 공정은 EAF와 결합된 철의 직접 환원(DR)을 위해 석탄을 H2로 대체합니다. 이 과정은 거의 완전히 화석이 없으며 온실 가스 배출을 상당히 감소시킵니다. 이 프로세스는 H2-DR/EAF 설정을 사용하는 여러 이니셔티브 중 하나이며, H2를 사용하여 철광석을 직접 환원하여 강철로 추가 가공하기 위한 EAF를 결합합니다. H2-DR 공정의 제품은 DRI 또는 ​​해면철로 EAF에 공급되고 적절한 스크랩과 혼합되어 추가로 강철로 처리됩니다. H2-DR/EAF 공정의 일반적인 흐름도는 그림 2와 같습니다.

그림 2 수소 직접 환원 공정의 일반적인 흐름도

이러한 특정 공정 조합이 상업적 규모로 구현되지는 않았지만 여러 개별 구성 요소는 이미 전 세계 철강 산업에서 널리 사용되고 있습니다. EAF 기반 철강은 연간 전 세계 생산량의 약 30%를 차지합니다. DR 공정도 널리 사용되며 이는 전 세계 철 생산량의 약 7%를 차지하며 일반적으로 EAF와 통합됩니다. 순수한 H2가 직접 환원의 환원제로 상업적으로 사용되었지만 기존 DRI 생산 능력은 CO와 H2의 혼합물인 환원제를 얻기 위해 증기 개질되는 천연 가스에 의존합니다. 최근에는 ZR(Zero Reformation) 공정이 개발되어 천연가스 사용량을 크게 줄였습니다.

천연 가스 비용이 이 설정의 경제적 실행 가능성에 대한 핵심 요소이기 때문에 대부분의 DRI 생산은 저가 천연 가스(CH4)가 풍부한 지역에 있습니다. H2-DR/EAF 설정의 여러 구성 요소가 테스트되고 산업 환경에서 배포되었다는 사실에도 불구하고 프로세스에 대한 주요 과제는 여전히 남아 있습니다. 이는 공정 통합, 제품 품질, H2 기반 시설(생산 및 저장)의 규모 확장 및 재생 가능한 전기 소스를 기반으로 하는 에너지 시스템으로 H2-DR/EAF 철강 공장의 통합과 관련이 있습니다. 주요 과제 중 하나는 탄소를 철로 만들어 강철로 만드는 방법입니다.

기존 프로세스 유지

CCS는 GHG 배출 통제 연구에서 중요한 주제였습니다. 1990년대에는 기술에 대한 보다 심층적인 분석으로 관심이 높아졌습니다. 이 개념은 대기 중 GHG 수준에 기여하지 않고 화석 연료의 세계적인 사용을 계속할 수 있는 잠재적인 기술로 2000년대 초 기후 정책 논의에 더 광범위하게 도입되었습니다. 탄소 포집 기술 자체는 식품 및 화학 산업에서 20세기 중반 상업화 이후 다소 성숙했습니다. 저장은 천연 가스 저장소에서도 성공적으로 시도되었습니다. 기후 변화 완화를 목적으로 하는 CCS 연구의 초기 단계에서 초점은 주로 발전 부문, 특히 석탄 기반 전력 생산에 적용하는 데 있었습니다. 그러나 파일럿 플랜트 및 시험 프로젝트의 긴 목록에도 불구하고 상업용 CCS는 실현되지 않았습니다. 이는 부분적으로는 비용 초과, 부분적으로는 지하 CO2 저장에 대한 대중의 반대, 부분적으로는 재생 가능 및 천연 가스와 같이 오염이 덜한 다른 발전 수단의 비용 하락 때문입니다.

그러나 전력 부문에서 CCS의 역할에 대한 기대는 감소했지만, 소위 Allam 사이클을 사용하여 천연 가스 발전에서 탄소 포집에 대한 최근 개발은 유망한 것으로 보입니다. 그것은 여전히 ​​​​기존 공정을 크게 변경하지 않고 철강 산업을 포함한 중공업의 GHG 배출량을 줄이기위한 핵심 옵션으로 간주됩니다. 업계의 CCS는 구현 조건과 관련하여 특정 구별되는 특성을 가지고 있습니다. 이점은 CO2 흐름이 전력 생산에 비해 산업에서 상당히 순수한 경향이 있어 분리 및 포집 단계를 덜 복잡하게 만들 수 있다는 것입니다. 또한 시멘트 산업과 같은 여러 산업에 대한 재생 가능 기반 대안이 거의 없기 때문에 대중의 반대가 덜 심할 것으로 예상됩니다.

그러나 철강 산업에는 CCS 적용을 어렵게 만드는 몇 가지 특징이 있습니다. 첫째, 철강산업은 발전산업과 달리 전 세계적으로 경쟁하고 있어 원가상승에 더욱 취약하고 고객에게 원가상승을 감수하는 것이 더욱 문제가 된다. CCS 옵션의 또 다른 단점은 산업 현장에 다양한 농도와 부피의 CO2 소스가 많다는 것입니다. 대부분의 CCS 평가는 주요 CO2 발생원에만 초점을 맞추는 반면 플랜트에서 모든 CO2를 포집하는 것은 훨씬 더 어렵고 대규모 재건이 필요할 수 있습니다. 여러 평가에 따르면 산업 현장에서 CO2 배출량의 50%에서 60%를 포착하고 저장하는 데 CO2 톤당 약 USD 70에서 USD 80의 비용이 들 수 있습니다. 그러나 더 많은 배출량을 포착하기 위해서는 비용 구조가 더 불확실합니다. 특히, 배출량의 90% 이상을 포착하기 위한 신뢰할 수 있는 비용 추정치가 존재하지 않습니다.

ULCOS(Ultra-Low Carbon Dioxide Steelmaking) 프로젝트는 철강 산업에서 CCS 구현을 지원할 수 있는 여러 기술을 확인했습니다. 그 중 하나인 TGR-BF(상단 가스 재활용 – 고로) 공정은 파일럿 플랜트에서 성공적으로 테스트되었으며 CO2 배출량을 24% 줄일 수 있습니다. 그러나 CO2의 실제 포집 및 저장은 이 파일럿 설정의 일부가 아니었습니다.

간단히 말해서, 현재 CCS는 발전보다 산업에서 더 유망한 솔루션으로 보이지만 여전히 고유한 문제가 있습니다. 첫째, CCS의 잠재적 GHG 배출 감소는 작고 확산된 배출원, 설치 공간 부족 및 기타 문제로 인해 약 50%로 제한됩니다. 둘째, 저장고의 감독 및 장기적 무결성과 같은 저장 관련 문제가 여전히 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 셋째, CCS는 공동 이익이 거의 없으며, 전환 과정을 가속화할 때 공동 이익의 존재가 핵심 촉진자로 확인되었습니다. 이는 광범위한 흡수를 방해할 수 있는 요소입니다. 탄소 포집이 어떤 형태의 CO2 활용(CCU)과 결합되면 더 많은 기회가 있을 수 있지만 아직 수행해야 할 공정 개발이 ​​많이 있습니다. 또한 CO2는 특수 화학물질이나 연료 등의 원료로 활용되더라도 결국 대기 중으로 배출됩니다.

바이오매스의 역할

철강 가공 역사의 대부분을 통틀어 바이오매스는 핵심 자원이었습니다. 목탄은 산소 성분의 철광석을 제거하는 데 필요한 환원제 역할을 할 뿐만 아니라 필요한 고온에 도달하는 데 필요한 에너지원으로도 작용합니다. 석탄에서 생산된 코크스가 1875년경이 되어서야 자리를 잡았지만 1900년대 중반까지 숯이 계속 사용되었다는 점에 유의해야 합니다. 빠르게 성장하는 유칼립투스에서 생산된 목탄은 여전히 ​​브라질의 소규모 철강 공장에서 주요 환원제로 사용되지만 코크스에 비해 목탄의 낮은 압축 강도로 인한 제한으로 인해 대규모 철강 공장에서는 실현 가능하지 않을 수 있습니다. 또한, 필요한 많은 양과 품질을 유지하는 데 상당한 어려움이 있기 때문에 코크스에서 바이오 코크스로의 완전한 전환은 거의 불가능합니다.

그러나 바이오매스는 철강 부문의 탈탄소화에서 여전히 중요한 역할을 할 수 있으며 몇 가지 다른 옵션이 제안되었습니다. 규모의 증분 측면에서는 기존 BF에 사용하기 위한 야금 코크스 생산에서 5%에서 10%의 목탄을 점결탄과 혼합할 가능성이 있습니다. 또 다른 옵션은 공정 자체의 연료로 또는 DR 공정에서 사용할 수 있는 복합 바이오 탄소-철광석 펠릿을 생산하기 위해 원료 철광석 처리에 바이오매스를 사용하는 것입니다. DR 공정에서 가스화된 바이오매스를 사용하려는 시도도 있었습니다. 이 접근 방식은 가능하지만 더 많은 시도와 연구가 필요합니다. 석탄 기반 DR 공정을 사용하여 철 분말을 생산하는 스웨덴 회사인 Höganäs AB는 목재 가스화를 사용하여 환원제로 사용되는 바이오 코크스와 합성 가스를 생산하는 공정의 실제 시험을 시작했습니다. 공정 에너지에 사용(및 가능하면 감소에도 사용).

바이오 메탄은 또한 코크스 오븐과 부산물 공장에서 나오는 코크스 오븐 가스를 더 이상 사용할 수 없는 경우 2차 야금 공정에서 가열을 위한 중요한 저탄소 옵션이 될 것입니다. 통합 제철소에서 코크스로와 부산물 공장의 코크스로 가스는 2차 야금 공정의 가열에 사용됩니다. H2-DR 개념에서는 이 에너지를 교체해야 합니다. 장기적으로 전기 난방을 위한 다양한 옵션이 존재하지만 바이오 메탄은 공정 변경을 최소화하면서 현재 사용되는 천연 가스 및 코크스 오븐 가스를 직접 대체할 수 있습니다.

그러나 바이오매스에 대한 시스템적 도전은 상당한 경향이 있습니다. 석탄과 달리 바이오매스 자원은 광산과 같은 특정 장소에 집중되어 있지 않기 때문에 지리적으로 분산된 지역의 바이오매스를 제철소로 채취, 가공하여 운송해야 하므로 조달 비용이 많이 듭니다. 둘째, 목재에 대한 수요 증가는 기존 사용자(예:산림 산업)와 바이오매스를 활용하여 완화 목표를 달성하려는 다른 부문과의 경쟁으로 이어질 수 있습니다. 수요가 적은 산림 잔류물로 초점을 옮기지 않는 한 이는 다시 가격 상승으로 이어질 수 있습니다. 마지막으로, GHG 배출 감소를 보장하기 위해서는 지속 가능하게 관리되는 산림에서 바이오매스를 얻는 것이 중요합니다.

요약하면, 바이오매스는 재생 가능 경로와 CCS 경로 모두에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 둘 다 철광석 가공, 2차 야금 및 열간 압연 공정에서 많은 양의 열을 필요로 합니다. 이것은 바이오 메탄의 연소를 통해 매우 잘 제공될 수 있습니다. CCS 경로에서 BF 장입물의 기계적 안정성이 유지되는 한 목탄은 적어도 부분적으로 코크스를 대체할 수 있습니다. HYBRIT 개념에서 바이오매스는 철강 공정 및 잠재적으로 다운스트림 금속 가공 공정의 탄소원으로도 작용할 것으로 예상됩니다.