스틸 박사 김철석으로부터 포스코의 스틸에 대해 많은 것을 알게 된 스틸 덕후 강초록. 얼마전 포스코에서 탈진, 탈황, 탈질로 이어지는 대기오염 저감 소결 프로세스를 완료했다는 기사를 보고 궁금해진 초록이. 이번에는 포스코의 대기오염 저감 활동에 대해 물어보기로 했다.

얼마전 포스코에서 대기오염 소결 프로세스를 완료했다는 기사를 봤는데, 소결이란 무엇이고, 프로세스가 왜 환경에 이롭다는 거야?

먼저, 답변에 앞서 쇳물을 만들기 위해서는 용광로 상부를 통해 철광석과 석탄을 차례로 장입후, 하부에서 고온 가열한다는 것은 알고 있겠지? 그런데 이때 필요한 철광석은 곧바로 용광로에 투입되는 것이 아니라 이른바 ‘소결’공정을 거치게 돼. 소결이란, 용광로에 넣기 좋은 크기로 만들기 위해 가루 형태의 철광석(fine ore)에 부원료를 혼합하고 가열해서 덩어리로 만드는 공정이야. 대기오염 저감 소결 프로세스를 완료했다는 의미는 소결 공정에서 발생하는 미세먼지, 황산화물(SO_x), 질소산화물(NO_x)을 제거하는 프로세스를 완료했다는 뜻이지.

미세먼지 뿐만 아니라, 황산화물과 질소산화물도 제거해야 해?

응. 미세먼지에는 1차 미세먼지와 2차 미세먼지가 있다는 거 알고 있어? 1차 미세먼지는 대기 중으로 직접 배출되는 물질이고, 2차 미세먼지는 1차 오염물질이 화학반응에 의해 간접적으로 생성된 먼지야. 황산화물과 질소산화물은 2차 미세먼지를 발생시켜서 1차 미세먼지보다 더 문제가 돼.

▲ 자료: 환경부,「바로 알면 보인다. 미세먼지, 도대체 뭘까」(2016.4)

황산화물과 질소산화물이 가스 상태로 방출되었다가 대기중에서 수증기, 오존 등을 만나면 화학반응을 일으켜서 황산염, 질산염과 같은 2차 미세먼지가 되거든. 황산화물과 질소산화물이 만들어 내는 미세먼지는 전체의 58%에 달해. 그래서 1차 미세먼지를 줄이는 탈진, 2차 미세먼지인 황산화물, 질소산화물을 줄이는 탈황, 탈질로 이어지는 소결 프로세스를 포스코에서 완료했다는 것은 미세먼지를 줄인다는 점에서 큰 의미가 있어.

그럼, 제철소의 대기오염 저감 프로세스를 거치면 미세먼지를 얼마나 줄일 수 있는 거야?

미세먼지를 얼마나 줄일 수 있는지는 탈진, 탈황, 탈질로 나눠서 설명해 줄게.
탈진은 전기집진기와 여과집진기 등 총 1700여 대의 대용량 집진기를 통해 각 공정에서 나온 먼지를 99% 이상 제거하고 있어. 황산화물를 제거하는 탈황설비로 포항제철소는 2004년부터 활성탄 흡착설비를, 광양제철소는 2007년부터 건식 흡착설비를 도입하여 SO_x를 60~90%까지 제거하고 있어. 특히, 탈질은 매우 중요해. 제철소에서 발생하는 미세먼지의 절반이상이 코크스와 소결공장에서 발생하는데, 그 미세먼지의 절반 이상은 질소산화물이 차지하거든. 제철소에서는 고가인 저질소 무연탄을 사용하여 질소 배출량을 낮게 관리하고 있었어. 하지만, 환경을 위한 선제적인 대응을 위해 확실하게 질소산화물을 제거할 수 있는 탈질설비인 SCR(선택적 촉매환원: Selective Catalytic Reduction) 투자를 한 것이지.

▲ SCR설비를 이용한 탈질 프로세스

SCR설비는 질소산화물을 환원제인 암모니아(NH₃)와 반응시켜 인체에 무해한 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 분리해 냄으로써 질소산화물을 배출을저감하는 기술이야. SCR의 준공으로 소결공장에서 발생하는 질소산화물을 설치전 대비 최대 80% 저감(140~160ppm→ 30~40ppm)할 것으로 기대하고 있어.

▲ 포항제철소 3소결공장에 설치된 SCR 설비

그러면 앞으로 미세먼지가 얼마나 줄었는지는 어떻게 확인해?

미세먼지에 영향을 주는 물질들은 굴뚝자동측정망(TMS: Telemonitoring System)를 통해 원격으로 투명하게 모니터링하고 있어. TMS가 측정하는 7가지는 대기오염 물질들은 먼지(Dust), 황산화물(SO_x), 질소산화물(NO_x), 염화수소(HCl), 불화수소(HF), 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO)인데, 한국환경공단에서 수치들을 실시간으로 확인이 가능해. 올해 4월부터 “대기오염물질 배출사업장 총량관리제도”가 시행되면서 TMS부착은 더욱 중요해졌어. 그래서 포스코도 TMS를 확대 설치할 예정으로 배출량들을 더 투명하게 관리할 예정이야.

고마워. 대기오염물질 감축을 위한 포스코의 노력이 있다면 더 알려줘.

제철소는 화력발전소와는 달리 한번 가동을 시작하면 10년이상 용광로 불을 꺼뜨리지 않아. 한번 꺼진 용광로에 다시 불을 지피려면 엄청난 비용이 들거든. 쉬지 않고 계속 조업해야한다는 말은 생산을 중단하거나 생산량을 줄여서 배출량을 감축하는 것이 어렵다는 말과 같아. 그럼 오염물질 저감 시설을 추가로 설치하거나, 노후된 시설을 폐쇄하고 새로 짓는 수밖에 없는데, 이렇게 되면 장기간의 계획에 따른 개선이 필요하기 때문에 가시적인 저감효과를 확인하는 데 조금 시간이 걸려.  포스코는 2024년까지 대기오염물질을 기존 배출량 대비 35% 저감하겠다는 목표를 세우고, 다양한 시설투자 활동을 전개중이야. 이번에 포항 소결공장에 설치된 SCR도 그렇게 투자된 시설 중 하나지.

포스코는 여기서 더 나아가 미세먼지를 좀 더 효율적으로 저감하기 위해, 저온시에도 질소산화물 제거 효율이 높은 저온 SCR 촉매기술과 고온의 배기가스에서도 황산화물을 선택적으로 제거하는 고온 건식 탈황기술, 그리고 먼지를 제거하는 집진기의 차압을 낮춘 고효율 여과집진기술을 3대 핵심 기술로 선정했어. 이 기술들은 지난해 5월 포항산업과학연구원(RIST) 내에 설립된 미세먼지연구센터에서 집중적으로 연구, 개발되고 있지. 그리고 정부의 주도로 미세먼지 농도가 높은 12월부터 이듬해 3월까지 4개월동안 배출량을 저감하는 미세먼지 계절관리제도 운영중이야. 올해 초(’19.12~’20.3)에는 전년 동기대비 배출량을 1,500톤 이상 저감하기도 했어. 포항, 광양 두 제철소도 적극 동참하기 위해 각각 미세먼지대응TF와 환경개선위원회라는 사내 조직을 구성하여 미세먼지 저감을 위한 과제를 발굴, 개선하고, 이를 지역사회와 공유하고 있어.

▲ 대기질을 측정하고 있는 포스코 직원들(좌), 지난해 7월 개최된 광양 대기환경개선 공동협의체 발족 및 협약식 사진(우)

2022년부터는 제철소의 대기오염물질 저감 실적을 가시적으로 확인할 수 있을 것 같아. 제철소는 장기간의 개선이 필요하기 때문에 조금 시간이 걸린다고 했지? 이제 얼마 남지 않았어. 지속가능한 제철소의 진정한 모습을 곧 보여줄게. 조금만 기다려줘!

포스코뉴스룸에서는 석탄화력발전소의 배출가스 처리 공정과 정화 설비를 들여다보고, 이 속에 숨어 있는 포스코 솔루션을 살펴본다.

l 소재의 국산화를 실현시킨 솔루션 활동

미세먼지와 황산화물이 포함되어 있는 석탄화력발전소의 배출가스는 최소 총 6단계의 정화 설비를 거쳐 대기 중으로 내보내진다.

아래 그림에서 보듯, 보일러에서 나온 배출가스는 공기예열기(APH)를 통과하면서 120 ℃이상으로 가열되고, 전기집진기(EP)를 통과하면서 미세먼지가 걸러진다. 이후 냉각 가스열교환기(GGH)를 통과하면 배출가스 온도는 70~90℃로 낮아지고 탈황설비(FGD)속에서 황산화물이 희석된다. 이로써 최종적으로 정화작용이 끝나면, 가스열교환기를 거쳐 다시 가열되고 굴뚝을 통해 대기중으로 배출된다. 배출 과정에서 가스 온도를 높이거나 낮추는 것은 반응을 최적화하기 위함이다.

최근 미세먼지 등 대기오염물질 규제가 강화되면서 석탄화력발전소 배출가스 처리 시설(배연설비)의 성능 강화가 요구되고 있는 추세인데, 문제는 배연설비의 성능을 강화하면 할수록 설비 내부에 황산화물이 쌓이는 현상이 심해져 내구성이 저하된다는 사실이다. 한번 건설되면 최소 30년 이상 가동해야 하는 발전소의 입장에서는 심각한 문제.

배출가스에 포함되어 있는 황산화물 때문에 배출가스 처리설비의 내외부는 부식에 강한 내황산강으로 시공되어야 하는데, 90년대 후반까지 건설된 우리나라의 석탄발전소들은 모두 수입산 내황산강을 사용했다. 그러다 보니 가격도 비쌌고, 원활한 물량 조달에도 어려움을 겪었다. 결국, ’98년 석탄발전소 시공사인 국내 D중공업은 일본산 강재 의존도를 낮추기 위해 포스코에 내황산강 개발을 요청하기에 이른다.

포스코 기술연구원은 내황산강 개발에 즉시 착수했다. 구리, 코발트, 안티모니 등 내식성을 갖는 원소들을 활용해가며, 가혹한 부식 조건 하에서 여러 강재들을 비교하고 개선하는 실험을 이어갔다. 그리고 3년여간의 연구 기간을 거쳐 ANCOR강(Advanced eNvironment-friendly steel with sulfuric acid COrrosion Resistance, 앙코르강)을 개발해냈다.

포스코의 ANCOR강은 극한 부식 조건에서도 수입 강재에 비해 평균 30% 이상의 성능 우위를 가지면서도 경제성까지 확보했다.

l 미세먼지 발생 방지에 사용되는 포스코 ANCOR강

’02년 개발 완료된 ANCOR강은 Y화력발전소의 APH(공기예열기) 설비에 최초로 공급됐고, 한참 지난 ’14년 S화력발전소의 설비에도 공급됐다. 이때까지는 주로 발전소의 정기 보수공사에 소량으로만 공급됐다. 가격과 성능의 우수성에도 불구하고 ANCOR강이 실제 채용 속도는 더뎠던 셈.

그 이유는 발전사가 발전소건설 사업을 발주할 때 제시하는 설비ㆍ강재 규정서에 ANCOR강이 기준 강재로 등록되어 있지 않았기 때문이었다. 시공사나 정화설비 제작사들이 설비 규정에 등록되어 있지 않은 강재를 사용하기 위해서는 발주처로부터 별도의 승인을 받아야 하기 때문에, 번거로운 과정을 생략하려고 수입 강재를 관행적으로 사용한 것.

그래서 철강솔루션연구소는 강재연구소, 마케팅본부 및 수요확대 프로젝트팀과 협업해 한국전력ㆍ국내 5대 발전사ㆍ설비 제작사 등을 찾아다니며 제품설명회를 개최하고 기술 교류회를 실시하는 등 ANCOR강의 우수성을 알리는 활동에 총력을 기울였다. 그 결과 ’17년 발전소 설비에 ‘포스코ANCOR강’이 규격 강재로 등록됐다. 이후 발전소에서 ANCOR강재를 사용하는 비중이 급격하게 증가되었는데, 지난해의 경우 ’15년 대비 5배가 넘는 14,000톤 이상이 공급됐다.

ANCOR강이 발전소의 규격 강재로 등록된 ’17년은 정부가 제8차 전력수급기본계획을 발표하면서, 노후 석탄화력발전소 폐지, 배연 설비 개선, 신규 발전소 건설 중단 등을 통해 미세먼지 배출량을 30% 이상 감축하겠다는 계획을 발표한 해였다.

이에 따라 전국에 운영되고 있는 61기의 석탄화력발전소 중 서천, 여수, 보령 발전소는 ’22년까지 폐쇄되고, 나머지 발전소들은 배연계통 정화설비의 공정을 보강해야 운영을 지속할 수 있게 됐다.

새로 건설되는 발전소에 ANCOR강이 공급되는 것은 물론, 30년 미만 발전소 설비의 개선 작업에도 확대 적용될 수 있는 조건이 마련된 셈.

철강솔루션연구소 성능연구그룹 유윤하 전문연구원은 “철강산업이 굴뚝 산업이라고 공격받을 때 제철소, 발전소 등 제조업 현장에서는 어떻게 하면 환경오염 물질을 줄일지에 대해 묵묵히 연구하고 개선 활동을 수행해왔다”며, “친환경 설비를 건설하는데 포스코 강재가 솔루션으로 사용되는 것을 보면서 큰 보람을 느낀다”고 소감을 밝힌다.

현재 철강솔루션연구소와 마케팅본부는 ANCOR강 공급 확대를 위한 TF를 구성해서 발전소 정화 설비뿐만 아니라 제철소 설비, 쓰레기 및 폐기물 처리 설비 등 미세먼지와 황산화물이 발생할 수 있는 곳의 정화 시설에 ANCOR강을 적용하기 위한 솔루션 활동에 주력하고 있다.

포스코 ANCOR강이 국내 발전 설비에 도입에 따라 수입산의 비중은 50% 이하로 떨어졌다. ANCOR강 개발 사례는 기존 강재에 비해 우수한 성능과 경제적인 가격에 소재 국산화를 이뤄낸 것으로 의미를 가지며, 또한 철강재가 환경오염을 방지하는 좋은 솔루션으로 활용된 사례다.

포스코는 철강재 공급과 함께 제공한 솔루션들은 이렇듯 강재 활용 이상의 효과를 만들어 낸다. ‘강재 공급 그 이상의 가치’를 만들어 나가는 것, 그것이 포스코 솔루션 활동의 지향점이다.