탈탄소 철의 길을 열다
POSCO HyREX

석탄에서 수소로, 제철 방식의 전환

철강은 자동차, 조선, 건설 등 주요 전방 산업을 떠받치는 기초 소재이지만, 생산 과정에서 다량의 탄소를 배출하는 산업이기도 하다. 강화되는 환경규제와 탄소국경조정제도(CBAM) 시행으로 철강 업계에 탈탄소 전환은 더 이상 선택이 아닌 생존의 문제가 됐다. 포스코는 이 흐름의 한가운데서 ‘2050 탈탄소 달성 로드맵’을 선포하고, 전통적인 생산 방식을 근본부터 바꾸는 기술 개발에 나섰다.
기존의 고로 공법은 철광석에서 산소를 분리하기 위해 석탄을 환원제로 사용해왔다. 1,500도 이상의 고온에서 석탄이 연소하며 발생한 일산화탄소 가스가 철광석의 산소를 떼어내고, 동시에 철을 녹여 쇳물을 만드는 방식이다. 환원과 용융이 하나의 고로 안에서 석탄을 중심으로 이뤄지는 구조였던 만큼, 이산화탄소 배출은 피하기 어려운 구조적 한계로 남아 있었다.
하이렉스 공법은 화석연료 대신 고온으로 가열된 수소를 주입해 철광석의 산소를 떼어내는 방식이다. 수소가 환원제 역할을 하면 이산화탄소 대신 물이 생성된다는 점이 핵심이다. 환원된 고체 철은 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)로 만들어지고, 이후 별도의 용융 공정을 거쳐 쇳물로 전환된다. 석탄을 수소로 바꾸는 것, 그 한 가지 전환이 탄소 배출의 구조 자체를 바꾼다.
하이렉스는 이미 상용화된 파이넥스1 공정의 유동환원로 기술을 기반으로 한다. 현재 전 세계적으로 100% 수소만을 사용하는 환원로 기술은 아직 상용화 전 단계에 머물러 있다. 하지만 포스코는 파이넥스 조업을 통해 환원 과정에서 수소를 일부 활용해 온 경험을 바탕으로, 수소 비중을 최대 100%까지 높이는 하이렉스 기술 개발을 추진하고 있다. 기존 기술에 새로운 탈탄소 공정을 접목했다는 점에서, 하이렉스는 포스코형 기술 진화의 연장선에 있다.

• 1.파이넥스(FINEX, Fine Iron Ore Reduction Execution): 포스코가 고유 기술로 개발하여 2007년 상용화한 혁신 제철 공법이다. 전통적인 고로(용광로) 방식과 달리 원료의 사전 가공 공정(코크스 제조 및 소결 공정)을 생략하고, 가루 형태의 철광석(분광)과 석탄을 직접 사용하여 쇳물을 생산하는 공정이다.

가루 철광석을 그대로 쓰는 한국형 기술

하이렉스 기술이 글로벌 시장에서 갖는 가장 뚜렷한 차별점은 원료다. 해외 철강사들이 주로 사용하는 샤프트환원로(Shaft Furnace)2는 철광석을 일정한 크기의 구형으로 가공한 고품위 DR Grade 펠렛을 원료로 사용한다. 반면 하이렉스의 유동환원로 기술은 광산에서 채굴한 가루 상태의 일반 철광석 분광을 별도 가공 없이 그대로 활용할 수 있다. 원료부터 다른 셈이다.
이 차이는 수소환원제철 상용화 과정에서 중요한 경쟁력으로 작용할 수 있다. 전 세계 철광석 공급량 17억 톤 중 펠렛 제조에 적합한 DR Grade 비중은 약 4%에 불과해 향후 글로벌 철강사 간의 수급 경쟁이 심화될 것으로 전망된다. 반면 하이렉스는 풍부하고 저렴한 분철광석을 사용하기 때문에 원료 확보가 용이하고 원가 경쟁력 면에서 우위를 점할 수 있다.
유동환원로는 철광석과 수소가 만나는 방식에서도 차별화된다. 샤프트환원로에서는 고온의 환원가스가 쌓여 있는 펠렛 사이를 지나가며 반응을 일으킨다. 반면 유동환원로에서는 환원가스가 하부의 분산판을 통해 골고루 분사되며 가루 상태의 철광석을 공중에 띄우고 뒤섞는다. 액체를 혼합하듯 철광석 입자와 수소가 접촉하면서 환원반응이 일어나는 구조다. 여기에 다단 반응기별 온도 제어가 가능해 다양한 상태의 철광석 분광을 안정적으로 다룰 수 있다는 점도 강점이다.
포스코가 하이렉스를 ‘한국형 수소환원제철’로 설명하는 이유도 여기에 있다. 한국은 철광석을 전량 수입에 의존하는 만큼 특정 고품위 원료에 의존하지 않고 다양한 원료를 활용할 수 있는 기술이 중요하다. 하이렉스는 포스코가 수십 년간 축적해 온 유동환원 공정 노하우를 바탕으로 한국의 원료 수급 환경과 국내 산업 조건에 최적화하여 설계된 독자적 탈탄소 제철 기술이다.

• 2.샤프트환원로(Shaft Furnace): 수직 원통형 모양의 환원 설비로, 주로 유럽과 미국의 철강사들이 수소환원제철 기술 개발에 적용하고 있는 방식이다. 탑 내부 상단에서 일정한 크기의 덩어리로 가공된 철광석 펠렛(Pellet)을 투입하고, 하단에서 가열된 환원 가스(천연가스 개질 가스 또는 수소)를 불어넣어 통기성을 이용해 직접환원철(DRI)을 생산한다.

전기용융로로 완성하는 탈탄소 공정

수소환원제철은 환원로에서 직접환원철을 생산하는 것만으로 완성되지 않는다. 환원된 고체 철을 다시 녹여 쇳물로 만드는 용융 공정이 뒤따라야 한다. 포스코가 유동환원로와 함께 전기용융로(ESF, Electric Smelting Furnace) 기술 개발을 병행하는 이유다.
기존 전기로는 철 스크랩과 직접환원철을 주원료로 사용해왔다. 그러나 두 원료 모두 한계가 뚜렷했다. 철 스크랩은 내부 불순물 때문에 자동차 강판 같은 고품질 판재류 생산이 까다롭고 직접환원철은 맥석3 성분으로 슬래그4가 많이 발생해 제강 효율이 떨어지고 전력 소모도 컸다.
포스코가 개발 중인 전기융용로는 이러한 한계를 보완하기 위한 설비다. 로(爐) 내부에서 환원 환경을 유지해 직접환원철에 포함된 철 성분 손실을 줄이고, 기존 고로처럼 슬래그 성분 제어가 가능하도록 설계됐다. 더욱이 여기서 발생하는 슬래그는 시멘트 원료로 재활용이 가능해 자원 순환 관점에서도 의미가 있다.
결국 하이렉스의 경쟁력은 수소로 철광석을 환원하는 기술에만 있지 않다. 다양한 원료를 받아들이는 유동환원로와 이를 안정적으로 녹이는 전기용융로가 하나의 공정으로 맞물릴 때, 비로소 한국형 수소환원제철 체계가 완성된다.

• 3.맥석(脈石): 광석에서 유용한 광물을 제외한 나머지 쓸모없는 성분의 광물. 제철 공정에서는 철광석에 포함된 규소(Si), 알루미늄(Al) 등의 불순물을 뜻하며, 철을 녹이는 과정에서 분리해 내야 하는 대상이다.
• 4.슬래그(Slag): 철광석에서 철 성분을 분리하고 남은 맥석(불순물)이 석회석 등과 반응하여 용융 탑 상부에 떠오르는 부산물(찌꺼기). 과거에는 단순 폐기물로 여겨졌으나 최근에는 시멘트나 비료의 원료 등으로 100% 재활용되며 자원 순환의 핵심 소재로 꼽힌다.