<온실가스 감축 필수 5> 철강산업 공정별 개선 있어야

철강을 제조하기 위한 고온가열이 요구되는 공정을 통해 이산화탄소 배출 또한 간과할 수 없다.

이에 따라 정부와 업계는 산학연으로 구성된 철강산업대책반을 통해 기후변화협약에 따른 온실가스 감축에 대비하고 있다.

◆ 철강산업의 공정
철강공정은 크게 4단계로 구분된다. 철광석으로부터 철을 분리해 내는 제선공정(코크스 제조설비, 소결설비, 용광로), 1차 생산된 액체상의 철로부터 불순물을 제거하는 제강공정, 액상의 철을 일정한 몰드를 통해 일정한 형태로 성형하는 연속 주조공정과 성형된 강괴를 일정한 두께로 판재화하는 압연공정으로 구성된다.

소결공정에서는 철광석을 일정한 크기로 생산하기 위해 에너지가 투입되며 용광로에서는 소결 분괴 철광석과 코크스의 반응에 필요한 고온 열풍이 요구된다.

제강공정의 에너지사용량은 전 공정의 약 3%로, 전로를 이용해 용광로의 액상 철 중의 불순물을 제거하며 이때 상당량의 고온 폐열과 65~70% 농도의 가연성 가스가 발생한다. 이들은 철강공정의 열원으로 재활용이 가능하다.

한편, 전기로(EAF)는 고철 또는 강편을 재활용하기 위한 용해설비로 전력소비가 약 1만Gwh/년인 에너지다소비 설비다.

압연공정의 에너지사용량은 전 공정의 약 11%로, 주조된 강괴를 일정한 두께의 판재로 생산하기 위한 공정으로 이들을 압연에 요구되는 1250℃ 정도로 가열하기 위해 가열로가 필수적이다.

이 때 가열로에는 상당한 에너지가 투입되기 때문에 가열로 에너지단위 저감은 일관제철소에서는 전통적인 기술개발 대상이 되고 있다.

엑서지엔지니어링과 서울대공학연구소는 철강공정에 있어 에너지다소비 설비를 운용하는 연속공정으로 공정의 단순화와 폐열 및 부생가스의 재활용은 공정별 에너지절감건과 관련 매우 중요한 기술과제라고 지적했다.

박명오 엑서지 대표는 "제선공정의 단순화 제강공정에서의 폐열회수 극대화 전기로에서의 전력소비 저감 및 주조공정에서의 공정 단순화를 통한 가열로 운전에너지 절감 및 열연압연 가열로의 효율향상 등은 철강공정의 에너지절감과 이산화탄소 저감에 크게 기여할 것으로 판단한다"고 강조했다.

◆ 철강산업과 온실가스
앞서 언급했듯이 철강산업의 에너지 소비는 국내 총에너지 소비량의 약 10%에 달하고 따라서 그에 상응하는 이산화탄소가 발생하고 있다.

특히 원료 및 연료로 사용되는 석탄 또는 코크스는 상대적으로 이산화탄소 배출계수가 높기 때문에 그 사용을 저감 또는 대체할 수 있는 기술 및 공정개선이 절실히 요구되고 있다.

이에 따라 저감기술의 선택적 적용이 가능하도록 단계적이고 지속적인 공정별 배출설비의 운용과 고도의  기술수준 분석이 필요하다.

국내 철강업계의 경우 포스코는 전체 철강산업 에너지소비의 약 80%를 점하고 있다.  포스코 포항제철소의 경우 공정별 에너지소비 및 이산화탄소 배출량은 표와 같다.

철강공정의 에너지 소비는 코크스, 소결 및 고로공정을 포함하는 제선공정에서 총에너지의 72.3%가 소비되고 있다.

이어 증기, 발전, 송풍용 에너지 소비가 9.9%, 열연(주조) 공정 5% 및 제강공정 3.2% 순으로 에너지소비가 많다.

따라서 제선공정을 중심으로 원료제조 에너지원단위 저감기술개발이 철강공정의 이산화탄소 발생 저감의 관건으로 공정단순화 및 개선을 통해 재가열 에너지소비를 저감할 수 있는 공정기술개발이 요구되고 있다.

◆ 온실가스 감축수단의 도출

제선공정은 소결 공정에서 철광석을 사전 처리해 만든 소결광, 코크스 공장에서 건류한 코크스, 석회석이 고로에 잠입된 후 연소되는 과정에서 발생하는 일산화탄소가 철광석과 환원반응을 일으키도록 해 용선을 생산하는 공정이다.

제선공정에서 생산된 선철은 탄소함유량이 높고 인, 유황과 같은 불순물이 함유돼 부스러지기 쉽다.

이러한 선철을 잘 늘어나면서 강인한 강으로 만들려면 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하는 제강공정이 필요하다.

제강공정은 전로에 쇳물을 부은 후 고압, 고순도의 산소를 불어넣어 탄소를 태우고 불순울을 없애는 공정으로서 철강의 기본적인 품질을 결정하는 공정이다.

또 다른 제강공정설비는 고철을 원료로 하는 전기로다. 고철을 주원료로 하는 전기로 제강생산은 철산화물을 환원시키는 데 많은 에너지를 소비하는 전통적인 고로 방식에 비해 에너지 소비량이 낮다. 이로 인해 발생하는 이산화탄소를 감축할 수 있다는 게 엑서지와 서울대의 분석이다.

압연공정은 두개의 회전하는 롤 사이에 소재를 통과시켜 단면의 형상이 일정한 판재나 형재 등을 성형하는 공정으로 열간압연과 냉간압연이 있으며 열간압연공정의 주요 구성요소는 적절한 온도로 슬래브를 주조하기 위한 재가열로와 압연기다.

냉간압연의 주목적은 열간압연코일의 두께를 줄이는 것으로 강판표면처리(아연도금)을 위한 산세공정, 압연공정, 어닐링공정, 표면처리공정으로 세분된다.

단조공정은 향상된 기계적 성질을 갖는 강을 얻기 위한 공정으로 잉곳이나 블룸을 가열로에 1250~1300℃까지 높인 후 압연기를 사용해 특정한 형태로 단조 성형, 열처리한 후 최종적으로 마감가공 및 검사를 수행하는 과정을 포함하고 있다.

엑서지와 서울대가 도출한 기술의 유형은 원료대체 및 공정대체기술로 구분되며 공정대체기술은 다시 시스템개발 또는 부분공정개선기술로 분류된다.

총 24개 감축수단을 도출한 가운데 이 중 원료대체기술이 4개, 공정대체기술이 20개로 공정대체기술 중 7개는 시스템개발이고 13개는 부분공정개선기술로 분류된다.

철강공정은 제철, 제강 및 성형을 위한 연속주조공정을 포함한 열연 (후판, 코일, 선재)과 냉연공정으로 구성된다.

이러한 대단위 설비는 대기업에 한해 운용되기 때문에 적용처는 제한적일 수 밖에 없으며 철강기술의 개발 및 실용화에는 상당한 시간이 요구돼 기술의 수명은 상당한 시간이 요구되며 기술의 수명은 상당히 긴 것이 특징이 되고 있다.

엑서지는 "총 24개의 온실가스 감축 수단은 고로와 가열공정에서 도출된 기술로서 현재 도입돼 가동중인 기술과 연구개발이 지나 실증단계에 있는 기술이 많아 2010년 이내 산업현장에 적용될 가능성이 높을 것"이라고 강조했다.

◆ 업계 대책은
철강업계는 현재 철강협회 부회장과 산자부 철강석유화학팀장으로 구성된 철강산업대책반을 구성해 온실가스 감축과 에너지 절감이라는 명제에 대처해 나가고 있다.

포스코, 현대제철, 동국제강, 창원특수강, 세아베스틸 등 5개사 산업계와 정부와 학계 및 연구기관으로 구성된 대책반은 올해 주요 목표로 온실가스 감축 기술개발 및 이전사업 참여, 철강산업 인벤토리 구축과 업계의 기후변화협약에 대한 교육 및 홍보활동 강화를 중점 상황으로 추진중이다.

대책반은 또한 일관제철 및 전기로와 관련 인벤토리를 구축해 업계의 생산과정에서 발생할 수 있는 문제에 대한 개선을 추진하고 있다.

또한, 일관제철과 관련해선 국제기준 온실가스 배출량 산출을 유도해 선진사와의 공정간을 상호비교하고  국내 업계의 배출량 산출 및 분석을 통해 배출량 확인시스템을 구축한다는 방침이다.

이와함께 전기로 부문에선 올 상반기 4개사 8개 사업장을 대상으로 사업장별 온실가스 유형별, 종류별 배출량을 계산했으며 향후 철강협회 전회원사를 대상으로 데이타베이스를 구축해 나가고 있다.

현재 자발적 협약을 통한 에너지 절약 활동 추진을 위해 철강협회 34개 회원사중 30개사가 자발적 협약(VA)을 체결했다.

VA와 관련 업계의 주요 프로젝트는 코크스 헌열회수 건식소화 설비 및 기술 개발과 부생가스 복합발전설비 도입, 전기로 최적화 시스템 적용과 고효율 모터 교체 및 전기로 고효율 버너설치 등을 추진하고 있다.

또한 코크스 공정의 생략으로 기존 용광로 대비 5%이상의 에너지 효율 향상과 오염물질을 획기적으로 감소시키는 FINEX공정을 통해 년산 150만톤의 규모의 상용화설비 구축과 함께 가열공정 생략과 압연공장의 단순화로 기존대비 85%이상의 에너지 절감을 이룰 수 있는 60만톤 규모의 Strip Casting기법의 설비를 구축한 시범 운전도 올 연말을 목표로 추진하고 있다.

또한 업계는 한국전력,  남동발전과 공급 MOU를 체결해 250Kw급 연료전지 발전시스템 개발을 2009년 8월까지 마무리하고 강릉, 횡성지역 2개 단지에 2009년 이후 상업운전을 목적으로 600MW급 풍력발전 단지 건립을 추진하고 있다.

대책반 관계자는 "지난달에는 일본에서 열린 APP 철강워크숍에 참석해 선진철강업계 대응사례를 집중 점검했다"며 "오는 10월과 11월에는 기후변화협약과 관련 최근 동향, 각사별 대응전략과 관련 회원사 방문 설명회를 갖고 사내배출권거래제 등을 중심으로 철강산업대책반 워크샵을 12월에 개최할 예정이다"고 말했다.