바오강그룹 신장 바이철강 유한회사의 HyCROF

기후 변화와 에너지 위기라는 이중 도전에 직면해 전 세계 철강 제련 업계는 효율성을 우선시하는 것과 에너지 절약 및 환경 보호 사이에서 최적의 해답을 찾기 시작했다. 어떻게 하면 중국의 철강 업계가 고로(용광로) 제련 위주의 현실과 저탄소 순환 발전을 결합할 수 있을까? 중국 철강 종사자들은 ‘하이크로프(HyCROF, 수소를 이용한 이산화탄소 감소법)’ 기술을 등장시켜 새로운 돌파구를 마련했다.

중국 철강 업계는 고로 비율이 높고 그 수도 많다. 약 90%의 생산 능력 규모는 고로-전로의 전통적인 긴 공정 방식으로 이뤄진다. 일본의 73%, 한국 69%, 인도 46% 등과 비교했을 때 매우 높은 수치다. 만약 빠른 전환만을 추구한다면 아직 수명이 많이 남은 기존 고로의 가동을 중단하고 탄소 배출량이 더 낮으면서도 생산 공정이 짧은 전기로를 건설하면 된다. 대신 수조 위안 대의 고로 자산이 방치되는 것은 피할 수 없다.

최근 본지는 바오강(寶鋼)그룹 신장(新疆) 바이(八一)철강 유한회사(이하 바강)를 취재했다. 이곳은 지난해 10월 세계 최초로 2500㎥ 규모의 HyCROF 공업화 상업 시범 프로젝트가 전부 적용됐다. 이 프로젝트는 <2023년 철강 산업 경제 운영 보고(2023年鋼鐵業經濟運作報告)>에 포함됐고 저탄소 제련 기술이 거둔 새로운 첫번째 돌파구로 언급됐다.

멀리서 바라본 바오강 그룹의 HyCROF

전 세계 최초의 ‘혁신적 가치’

“이전까지 세계 최대 산소 실험용 고로는 50㎥를 넘지 않았다.” 류원좡(劉文壯) 바오강그룹 신장 바이철강 유한회사 총경리는 “HyCROF가 저탄소 제련 기술로써 국내외 관련 연구가 많이 진행되고 있지만, 대부분 실험실 연구나 중간시험 단계에 머물고 있다. 바강의 탐구는 독창적이다. 각 단계에서 따를 수 있는 산업 응용 모델이 거의 없을 정도로 이 분야에서 선구자적인 역할을 하고 있는 셈”이라고 말했다.

HyCROF의 원리는 겉으로는 단순해 보인다. 고로의 가스에서 이산화탄소를 분리해 높은 환원력을 가진 일산화탄소를 순환시켜 가스의 화학 에너지 사용 효율을 높이는 것이다. 그러나 실제로 적용하기에는 어려움이 많다. 예를 들어 분리된 일산화탄소는 1200도까지 가열해야 하는데 이 공정은 실험실이든 대형 산업 시설이든 매우 위험하다. 분리된 일산화탄소를 안전하게 고온 가열하는 것만으로도 바강의 기술자들은 2년 이상의 시간을 투자해 비로소 결실을 얻을 수 있었다.

“일반 고로를 개조하는 것은 그리 간단치 않다. 고로 상부의 가스 순환, 가스 탈이산화탄소, 가스 가열 등 기술적 난관을 돌파해야 한다.” 고로 제철 신기술 연구자는 이렇게 말했다.

세 차례의 공업 테스트를 거쳐 바강은 HyCROF를 실험실에서 400㎥ 실험용 고로를 거쳐 2500㎥ 중대형 고로로 점차 기술 확장시켰다. 이를 벤치마킹하기 위해 일본, 인도, 러시아 등 여러 나라의 철강 기업들이 바강을 찾았다.

데이터에 따르면 2500㎥의 HyCROF는 기존 기술에 비해 매년 약 60만 t의 이산화탄소 배출을 저감할 것으로 예상된다. 이는 신장에서 삼림 700㎢를 조성하는 것과 같다.

수이(舒藝) 바오강그룹 신장 바이철강 유한회사의 2500㎥ HyCROF 공정 주임 엔지니어는 “이 프로젝트 시행으로 화석연료 소비를 이미 24%로 낮췄다. 다음 단계는 난제를 해결해 30%까지 감축할 계획”이라고 소개했다.

이 밖에 이 프로젝트는 시행 초기부터 적용할 수 있고 광범위한 확장 가능성을 원칙으로 삼아 설계 단계에서 비용을 최대한 절감하려 노력했다. 주로 기존 전통 고로에 삽입하는 식으로 개축했다. 각 도시에 있는 철강소의 부지 조건을 고려해 프로젝트 배치를 최대한 콤팩트하게 설계해 단위 면적을 줄이는 등 다양한 유형의 철강소 개축 수요를 충족시켰다.

“한 기업이 탄소 감축을 한다고 해서 진정으로 탄소 배출 저감이 실현되는 것이 아니다. 전국의 철강소가 함께 감축해야 실질적인 탄질 배출 감소라는 목표에 도달할 수 있다.” 류 총경리는 “앞으로 바강은 전국의 전통적인 긴 공정 고로 제련 분야로 확대 적용에 도전할 것”이라고 말했다.

위안완넝(袁萬能) 중국 바오우(寶武) 공정 과학자이자 저탄소 제련센터 부주임은 “HyCROF 기술은 운영 효율이 높고 파동 저항력이 강하며 제조 비용이 낮아 탄소를 감축하면서 동시에 운영 비용을 수용 가능한 범위 내에서 통제할 수 있기 때문에 상업화와 보급 가치가 비교적 크다”라고 소개했다.

세계철강협회는 앞으로 이 기술이 중국 바오우그룹 내에서 보급·적용된다면 이산화탄소 배출량을 매년 약 4000만 t 이상 감축할 수 있을 것이라고 전망했다.

바오강그룹 신장 바이철강 유한회사의 HyCROF 주통제실 모습. 각 공정의 진행도를 모니터링할 수 있다.

신기술 대규모 보급, 상용화까지 시간 필요

장기적으로 보면 저탄소 제련의 대규모 보급은 여전히 지켜봐야 할 부분이 있다. 철강 산업의 저탄소 전환은 기술 진전은 물론 시장과 정책의 다각적인 지원도 필요하기 때문이다.

“현재 전 세계 주류인 저탄소 제련 기술은 3가지 종류가 있다. 전기로, 가스 기반 수직로, 수소 고로가 그것이다. 우리는 세 가지 제련 방식 모두 현 시점에서는 대규모 보급 기반을 갖추지 못했다고 본다.” 천옌(陳彥) 중진(中金)회사 연구부 기초 소재 및 엔지니어링 수석 분석가는 “저탄소 제련 방식의 비용이 고로 제련보다 비용이 높아 현재는 경제성이 부족하기 때문”이라고 지적했다.

천옌의 연구조사에 따르면, 가스 기반 수직로와 풍부한 수소 고로는 환원성 가스 가격이 보편적으로 높아 톤당 비용이 고로 제련 대비 800~1000위안 또는 그 이상 높다. 전기로는 주요 원료인 고철 자원의 국내 공급 부족으로 평균 단가가 고로 제련보다 300~500위안 높다.

S&P 글로벌 연구에 따르면, 현재 아시아 철강 산업 대부분이 배출을 감축하고 있지만 여전히 고로를 유지하는 것을 기반으로 진행하고 있다. S&P 글로벌의 분석 보고서에도 경제와 시장을 상황을 고려해 제철소의 탈탄소화 행보는 급진적이지 않을 것이라고 전망했다.

원가가 높은 상황에서 철강 업계는 저탄소 제련 동력을 어디서 찾을 것인가? 중국과 EU는 제도적 차원에서 이미 움직임을 보이고 있다.

2021년 7월 16일, 전국 탄소시장이 공식적으로 온라인 거래를 시작했고, 2024년 7월 말 기준 탄소 배출 쿼터 누적 거래량이 4억 6700만 t을 기록했다.

EU의 경우, 2023년 10월 1일부터 EU 탄소국경조정제도(CBAM) 전환기간이 시작됐다. CBAM(Carbon Border Adjustment Mechanism)은 수출입 고 탄소 제품에 상응하는 세금이나 탄소 쿼터를 징수 또는 반환을 통해 비EU 국가의 탄소 배출 감축을 독려하는 것으로 주로 철강, 알루미늄, 전력, 시멘트 등 6대 무역 부문이 해당된다. 후치무(胡麒牧) 중강(中鋼) 경제연구원 수석연구원은 “CBAM은 어느 면에서 수출업체의 탄소 배출 감축을 압박해 변화와 전환을 이끌어낼 것”이라고 말했다.

탄소 거래 시장, CBAM 등 정부 주도형 조치 외에도 천옌 수석 분석가는 비용과 가격이 철강 업계의 저탄소 전환을 추진하는 중요한 힘이라고 지적했다.

비용 측면에서는 시간이 필요하다. 천 수석 분석가는 “기술 발전이 저탄소 야금(冶金)과 고로 제철(鍊鐵) 간의 비용 격차를 지속적으로 좁힐 것”이라고 말했다. 예를 들어 수전해 수소 생산 비용은 기술이 발전하면서 계속 낮아질 전망이다. 현재 바강도 수소 제조 관련 실험을 진행 중인 것으로 알려졌다.

“다른 한 편으로 자원이 풍족해질 때까지 기다려야 한다. 예를 들어 전기로의 주재료는 고철로 주요 공급원은 고철 회수다. 그러나 회수 가능한 고철은 국가 철강 축적량에 비례하기 때문에 고철 자원의 수급 부족이 점차 완화될 것으로 예상된다.” 천 수석 분석가의 말이다.

가격 측면에서, 녹색 저탄소 철강 제품을 대대적으로 보급하려면 ‘녹색 프리미엄’이 어느 정도 부여돼야 한다. 천 수석 분석가는 “현재 국내 철강기업, 예를 들어 난강(南鋼)과 바오강은 저탄소 철강 제품 분류 작업을 하고 있으며 가격 책정 시 차이를 부각시키고 있다”라고 말하고 “다운 스트림 고객의 저탄소 철강 제품 수요가 지속적으로 증가하면서 앞으로 녹색 철강재 프리미엄은 철강기업이 저탄소 제련으로 전환하는 동력을 높이는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것”이라고 강조했다. 

글·사진 | 리스멍(李士萌)