[철강 포스코-상] ‘From FINEX to HyREX’ 탄소중립 전환 선도

포스코그룹이 ‘미래를 여는 소재, 초일류를 항햔 혁신’의 비전 아래 그룹 주력 사업인 철강과 서 이차전지소재사업에서 글로벌 경쟁력 및 초격차 기술력 확보에 매진하고 있다

특히 장인화 포스코그룹 회장은 취임과 함께 "철강은 초격차 경쟁우위를 회복할 것이며, 이차전지소재사업은 본원경쟁력을 갖추며 미래 혁신기술확보해, 두 사업을 그룹의 쌍두마차로 똑같이 초일류로 나아갈 것"이라고 밝히며 글로벌 선도 소재기업으로 거듭나겠다고 강조했다.
철강사업 부문에서는 고객중심의 경쟁력 있는 혁신제품 개발과 과감한 설비 효율화 및 공정 최적화를 추진하면서 수요산업과 공존 생태계를 다진다는 방침이다.

또한 탄소저감재 공급체제 실현을 위해 탄소배출을 줄인 제품을 조기출시하고 혁신기술에 대해서는 글로벌 협력을 통한 탄소중립 제철기술 개발에 집중한다.
특히 인공지능(AI)과 로봇 기술을 적용해 지금의 스마트팩토리를 수주부터 생산, 판매까지 전 공정을 아우르는 인텔리전스 팩토리로 진화시켜 초격차 수준의 생산성을 달성함과 동시에 기술집약형 융복합산업으로 발전시키겠다는 계획이다.

글로벌 메이저 철강업체들은 탄소중립을 목표로 수소환원제철 기술 개발, 전기로 도입, 탄소 저감 기술 개발 등에 집중하고 있다.

수소환원제철은 화석연료 대신 수소(H2)를 사용하여 철을 생산하는 혁신적인 기술이다. 석탄이나 천연가스와 같은 화석연료는 철광석과 화학반응하면 이산화탄소(CO2)가 발생하지만, 수소는 물(H2O)이 발생하기 때문에, 수소환원제철은 철강 제조과정에서 탄소배출을 혁신적으로 줄일 수 있다.

석탄, 천연가스, 수소의 공통점은 철광석(Fe2O3)에서 산소(O2)를 떼어내는 환원제의 역할을 한다는 것이다. 수소환원제철의 핵심은 바로 수소에 의해 철광석의 환원반응이 일어나는 설비인 ‘환원로’에 있다. 전통적인 제철공정에서 이 환원로의 역할은 고로가 담당한다. 고로 조업은 철광석과 석탄을 사용하기 적합한 형태로 가공해 고로에 넣고 뜨거운 공기를 불어넣으면서 이뤄진다.

뜨거운 공기는 석탄을 연소시키고, 이때 발생되는 일산화탄소 가스는 철광석에서 산소를 떼어내는 환원반응을 일으킨다. 또한, 고로 내부에 발생하는 1500도 이상의 열은 철광석을 녹이는 용융반응을 일으키며 쇳물을 만든다. 즉, 철광석에서 산소를 떼어내는 환원반응과 환원된 고체 철(Fe)을 녹이는 용융반응이 석탄에 의해 고로 내에서 동시에 이루어지는 것이다.

하지만 수소환원제철공정에서는 환원반응과 용융반응이 고로가 아닌, ‘환원로’와 ‘전기로’라는 두 가지 설비에서 각각 분리되어 일어난다. 먼저 환원로에서 철광석(Fe2O3)을 고온으로 가열된 수소와 접촉시켜 고체 철(Fe)을 제조한다. 이러한 방식으로 제조된 철을 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)’라고 부른다. 이후 이 DRI를 전기로에 넣어서 녹이면 쇳물이 생산되는 것이다.

수소환원제철의 핵심이 환원로인 이유는 아직 전 세계적으로 100% 수소만을 사용해 DRI를 생산하는 환원로가 상용화되지 않았기 때문이다. 현재 기술로는 석탄 또는 천연가스를 사용하는 과정에서 발생하는 수소를 일부 활용하여 DRI를 생산하는 것이 가능하다.

포스코의 파이넥스(FINEX) 기술도 석탄을 사용하는 과정에서 발생하는 수소가 철광석의 환원에 약 25% 사용되고 있다. 즉, FINEX는 환원제로 수소 25%, 일산화탄소 75%를 사용하는데 포스코는 수소를 100%까지 사용하는 ‘하이렉스(HyREX, Hydrogen Reduction)’ 기술 개발을 추진하고 있으며, 유럽, 미국 등 해외 철강사들은 천연가스(CH4)를 일산화탄소(CO)와 수소(H2) 가스로 개질하여 사용하는 샤프트환원로(Shaft Furnace)를 기반으로 기술 개발을 추진 중이다.

HyREX는 포스코 고유의 FINEX 유동환원로 기술을 바탕으로 한 수소환원제철 기술로 4개의 유동환원로에서 철광석을 순차적으로 수소와 반응시켜 DRI로 생산한 후 ESF 전기용융로(Electric Smelting Furnace)에서 용융한 용선으로 탄소 감축 제품을 생산한다. 포스코는 1992년 파이넥스 기술 개발을 시작, 2007년 상용화 이후 현재까지 파이넥스 공장에서 누계 3400만t의 쇳물을 생산하고 있다.

반면, 유럽, 일본 등에선 미드렉스(MIDREX)의 샤프트 환원로(Shaft Furnace)에 EAF 전기로(Electric Arc Furnace) 기술을 적용한다. 샤프트(shaft, 축)는 기계의 몸통 등을 의미하는 단어로 ‘샤프트 로’의 모양은 용광로(고로)와 비슷하다.
하이렉스 ‘유동환원로’와 타 철강사 ‘샤프트 환원로’의 차이점은 크게 3가지다.

첫째, 원료 자체의 차이다. 샤프트환원로는 철광석을 파쇄·선별한 후, 일정한 크기의 구형으로 가공한 펠렛(Pellet)을 사용하나, 유동환원로는 별도의 가공없이 광산에서 채굴한 가루 상태의 철광석을 그대로 사용한다. 펠렛은 주로 유럽, 미주에서 적철광 또는 자철광만으로 생산되는데, 이는 전세계 철광석 사용량의 30%에 불과하며, 나머지 70%는 펠렛 제조에는 활용하기 어려운 갈철광이다. 샤프트환원로에는 주로 값비싼 고품위 펠렛이 사용되는 반면, 유동 환원로는 매장량이 풍부하고 저렴한 분철 광석을 주원료로 사용하기 때문에 원료 확보와 원가 경쟁력이 높다.

둘째, 원료와 수소 환원가스와의 접촉 방식의 차이다. 샤프트환원로는 고온의 환원가스인 수소가 환원로에 안에 쌓여 있는 펠렛의 사이사이 빈 공간을 아래에서 위로 지나가며 펠렛의 환원반응을 일으킨다. 이렇게 환원된 펠렛은 환원로에 들어온 순서대로 DRI가 되어 밖으로 나간다. 환원가스가 펠렛 사이을 원활히 지나가려면 환원로 내 통기성 확보가 중요하기 때문에, 일정한 크기와 강도를 확보할 수 있는 형태인 펠렛으로 철광석을 가공하여 사용하는 것이다.

이에 반해 유동환원로는 고온의 환원가스가 환원로 하부의 분산판을 통해 골고루 분사되어 가루 상태의 철광석을 공중으로 띄워 액체를 혼합하듯이 서로 뒤섞으면서 환원반응을 일으킨다. 이렇게 환원된 철광석 분광은 4단계로 된 계단 형태의 다단환원로를 거쳐 DRI가 되어 밖으로 나간다. 이 같은 접촉 방식의 차이로 인해 유동환원로는 철광석을 펠렛으로 사전 처리하지 않고 분광 그대로 사용할 수 있는 것이다.
또한, 유동환원로는 각각의 반응기가 계단 형태로 구성되어 반응기 별로 산소 추가 투입을 통한 온도 제어가 가능하고, 반응기 하부뿐만 아니라 벽부에서도 가열이 가능하기 때문에 900℃ 이하의 환원가스 주입 만으로도 충분한 환원반응이 가능하다. 이와 달리 샤프트환원로는 단일 환원로로 이루어져 하부에서 주입되는 환원가스의 열로만 환원로 전체의 온도를 제어해야 하기 때문에 환원로 상부의 온도가 저하되기 쉬워 1000℃ 이상 고온의 환원가스 주입이 필요하다.


채명석 글로벌이코노믹 기자 oricms@g-enews.com