환경오염업체인 철강업체의 친환경 방안이란?

포스코와 현대제철는 1500°C 이상의 고온에서 녹이는‘고로’라고 불리는 큰 용광로를 활용하여 철을 생산한다. 사실상 철강산업 전체의 온실가스 배출 비중이 94.5%나 차지하고 있다.

즉 철강업체 전체 온실가스 배출량은 1억 120만t인데 포스코는 7,310만t(72.2%), 현대제철은 2,250만t(22.2%)를 차지하고 있다, 그래서 이 두 철강업체의 구조개혁에 큰 관심을 갖지 않을 수 없다.

철강산업의 에너지 사용은 주로 상공정인 제철·제강 및 열연제품 생산에서 이루어진다. 이 단계에서 온실가스 발생이 약 90%가량 발생된다.

상공정에서의 온실가스 발생은 주로 석탄의 사용에서 비롯되는데 석탄 사용은 무연탄, 유연탄, 코크스 형태로 구분되며, 그중 유연탄이 90% 이상 차지하고 있다.

석탄 사용에 의해 온실가스가 대량으로 발생하지만 그중 97% 정도가 환원제로 사용되어 원료용으로 구분된다. 연료용으로 사용되는 비중은 3%에 불과하다. 그래서 철강산업에 있어 석탄은 생산에 필요한 연료일 뿐만 아니라 필수 원료이기에 생산과 온실가스 배출사이에 강한 정비례 관계가 존재한다.

한편 전기로 제강에서는 전기 아크를 열원으로 사용하기 때문에 막대한 양의 전기가 사용된다. 코크스를 사용하는 용광로 공법보다 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 전기로 공법(고철을 사용해 쇳물을 만드는 방법)이라고 할 수 있다. 그렇지만, 이 공법으로 생산한 철강 제품은 품질이 떨어져 품질 좋은 철강제품을 생산할 수 없는 단점을 안고 있다.

2019년 기준 전 세계 철강 생산량은 18억7000만t인데 전기로 공법으로 생산한 철강은 27.7%인 5억2400만t에 그치고 있으며 국내 기업도 마찬가지다.

에너지 다소비 업체인 철강업체의 미세먼지를 저감시키기 위해서는 제철소의 에너지 흐름을 설계·운영을 기반으로 추진되어야 한다. 제철소의 공정은 크게 ‘화성(코크스)→제선(소결·고로·FINEX)→제강→압연’ 순으로 진행된다.

이런 제철소의 에너지 흐름은 물 샐 틈 없는 폐쇄회로와도 같이 각 공정에서 배출되는 가스와 열이 환경오염물질로 변화하게 된다. 그래서 이런 가스와 열을 회수하게끔 시스템을 설계하는 일이 무엇보다도 중요하다.

특히, 코크스로(Coke Oven), 고로(Blast Furnace), FINEX, 전로(Converter) 공정에서 발생한 부생가스들은 99% 이상을 회수하여 공정에 직접 재이용하거나 자가 발전에 사용한다면 미세먼지나 온실가스 저감에 큰 효과를 나타낼 수 있다.

불순물이 많은 원료 상태의 철광석과 석탄을 이용해 순수한 고품질의 철을 생산하려면 여러 공정을 거치며 가열과 냉각을 반복해야 한다. 이때 다양한 곳에서 고온·고압의 에너지가 발생하는데, 폐열은 그냥 흘러가게 두고 버리기엔 아까운 에너지원이다. 그래서 제철소에서는 각 공정에서 발생한 폐열들을 유용하게 재활용하기 위해 노력하고 있다.

에너지 사용과 온실가스 배출 비율이 높은 제선공정에는 △코크스 건식소화(CDQ) △석탄 수분 제어기술 △노정압 발전(TRT) △미분탄 직접 취입 등 방대한 기술이 적용되고 있다. 이어, 제강, 압연 공정에서도 다각도로 에너지 절감 및 효율 개선 기술이 채택되고 있다.

이를 위해서 △지속적 환경시설 투자 △친환경 기술개발 △환경관리 강화 등을 통하여 지속적으로 대기환경 개선을 시켜 나가야 한다. 그렇지만 이런 배출량 저감을 위한 대규모 환경설비 투자가 전제되어야 한다.

석탄, 코크스 야드에 밀폐형 텐트 하우스(Tent House)를 설치해 비산먼지 발생을 제로화하여야 한다, 그리고 철광석 야드에는 풍향과 분진 발생량을 실시간 모니터링해 자동으로 살수방향, 유량을 제어하는 IoT 연계 스마트 살수 시스템도 구축해야 한다.

아울러 탈질설비인 선택적촉매환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 설비를 부생가스 발전소에도 확대 설치해 질소산화물을 획기적으로 저감한다면 최대 90%까지 제거할 수 있다고 한다. 그렇지만 이런 방안이외에도 많은 분야에서 각종 노력이 뒷받침될 때 철강업체의 환경시설은 개선될 수 있는 것이다.

첫째, 온실가스 배출량 감축기술

철강 업종 내 온실가스 배출량 감축을 위해서는 고정연소와 공정배출의 감축이 우선적으로 이뤄져야 한다. 고정연소란 가스 비회수 코크스 오븐, 고로 천연가스 주입, 분탄이용용 융환원기술 등을 활용하여 고정연소의 배출량을 감축시키는 기술이다.

기존의 고로에 의한 용선 제조공정에서 필요했던 분광의 소결공정이나 코크스 생산공정 없이 선철을 생산하는 FINEX기술을 활용하여 포스코는 기존 방식대비 20% 이상의 온실가스 감축효과를 거두고 있다. 공정배출이란 폐가스 재사용 기술, 고로가스CO2 제거 기술 등으로 온실가스 배출을 감축시킬 수 있다.

둘째, 용수의 최적화 및 재이용

친환경 공장에서는 공정에서 발생하는 오수를 생물학적 처리를 거쳐 청소 시 사용하는 등의 용도로 재이용하고 있다. 특히 냉각수수의 경우 우수처리시설로 집수하여 공장용수 및 야드·도로 살수로 재활용하고 있다. 또한 용수관리의 최적화를 위해서 저염소 수처리 약품을 사용하여 폐수의 부식성을 개선하였으며, 공장의 냉각탑 Blow-Down수를 살수수로 재이용하여 폐수 발생량을 감소시켰다. 그리고 폐수 무방류 기술을 개발하여 오수를 방류하지 않고 저장 처리하여야 한다.

셋째, 차폐 효율이 높은 극저탄소강 기술개발

일반 철판에 비하여 약 4~6배 차폐 효율이 우수한 극저탄소강을 개발하여 설비 소형화 및 소재 사용량을 감소시킬 수 있다. 최근 전자장비가 고성능화되고 응용분야가 광범위해지면서 이로부터 발생하는 전자파 차폐 소재에 대한 수요가 크게 늘어나고 있다.

앞으로 전기차 생산에서 경량화와 고강도 제품이 요구되고 있어 강도와 성형성이 우수한 초고장력, 3세대 강판을 지속적으로 개발하여 나가야 할 것이다.

넷째, 공정 개선을 통한 에너지 효율 개선

공정상 열 효율 향상을 위하여 설비의 보완교체 및 공정개선, 에너지절감설비 신설, 공정 상의 현열 회수 등을 추진해야 한다. 즉 노정압발전설비를 통해 고로에서 발생하는 고압가스의 압력을 재활용하여 전력을 생산함으로써 공정 중에 사용하는 전력 사용량을 저감시키고 있다.

또한 열 회수 시스템을 통해 전기로의 배기가스로 온수를 생산하고 생산된 온수를 공정에 이용함으로써 스팀보일러의 LNG 사용량을 절감하였다, 그리고 스마트팩토리, 발전효율향상, 가열로 연소효율 향상, 조명전력 절감, 기타슬래그현열회수, 부생가스 회수증대, 버너 최적화 기술개발 등을 통하여 에너지 효율을 개선시켜 나갈 수 있다,

다섯째, 부산물의 자원화

철강 제품의 경우 철 1톤을 제조하는 공정에서 약 600~700kg의 부산물이 발생하며 슬래그, 더스트, 기타 부산물로 분류된다. 제선, 제강 공정의 쇳물을 분리하는 과정에서 발생하는 철강 슬래그는 부산물의 가장 많은 양을 차지하고 있다. 더스트와 슬러지의 경우 집진·냉각 공정의 환경 설비에서 배출되고 있다. 전체 재활용분의 약 70%를 점유하는 고로 및 제강슬래그는 전량 시멘트 원료나 천연골재의 대체재, 규산질 비료의 원료로 재활용되고 있다.

또한 시멘트 제조 시 제강슬래그를 석회석 대체재로 활용할 수 있도록하여 시멘트 산업의 온실가스 감축 및 에너지 절감에 기여하고 있다. 그리고 슬래그를 수재설비에서 물로 급랭시켜 모래형태로 만드는 수재슬래그는 미분쇄하여 시멘트 중량 5% 범위 내에서 혼합하여 시멘트 대체제로 사용하고 있으며 내염해성이 우수하고, 콘크리트의 수화열을 저감시키는등의 장점이 있다.

기존에 매립하던 냉연공장에서 발생하는 슬러지를 시멘트 재활용으로 전환하고 있으며 기존에 소각하던 폐합성 수지를 분리·선별하여 PP칩 생산원료 재활용으로, 전기로 분진의 경우 전량 아연 회수용으로 재활용하여 약 6천 톤의 매립 및 소각량을 줄이고 처리비 또한 절감하였다.

여섯째, 공정 부생가스 활용

공정에서 발생하는 부생가스를 재활용하여 가열로 등 생산공정에 재사용함으로써 LNG사용량을 저감할 수 있으며 발전소에 연료로 공급함으로써 전력을 생산하여 화석연료 사용을 줄이고 온실가스를 감축하는데 기여하고 있다. 즉 철강 공정에서 발생하는 BFG, COG, LDG, FOG 등의 부생가스 일부를 회수하여 공정 에너지원으로 사용하거나 자가발전에 활용 가능하다.

일곱째, 화학물질 관리시스템 구축

화학물질 유통관리시스템을 구축하여 제철소로 입고되는 화학물질에 대한 재고량, 사용량, 취급설비 정보의 등을 실시간으로 모니터링을 실시해야 한다. 이를 위해서 화학물질 정보 전과정 모니터링, 누출감지시스템, 유해화학물질 시험성적서 공유시스템을 구축해 나가야 한다.

즉 유해화학물질 누출감지센서로 구성된 감시 시스템을 구성하고 감지센서, CCTV, 가스감지기를 추가하여 유해화학물질에 대한 감시시스템을 구축하고 화학물질 관리 안정성을 제고하여야 한다. 그리고 모든 화학물질 취급시설로부터 누출되는 화학물질을 모니터링하기 위해 실시간 누출감지시스템을 구축하여야 한다.