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[에너지 지식백과] 수소편 ⑤ 수소환원제철

[에너지 지식백과] 수소편 ⑤ 수소환원제철

수소환원제철
[hydrogen direct reduced iron]

[한줄 정리] 철강 생산 공정에서 화석연료 대신 수소를 환원제로 활용해 탄소배출을 줄이는 공정법

철강은 ‘산업의 쌀’이라 표현될 만큼 현대문명에 필수적인 핵심소재다. 그런데 철강의 원료인 철광석은 자연 상태에서 산소와 결합된 산화물 형태로 존재한다. 때문에 순수한 철강을 얻기 위해선 철광석을 산소와 분리해야 하고, 여기에 환원제로 쓰이는 것이 석탄, 정확히는 석탄을 연소하면 나오는 일산화탄소다.

[그림1] 철강은 현대 문명의 근간이지만, 대표적인 온실가스 배출산업이기도 하다. 철광석을 산소와 분리시키는 과정에서 환원제로 일산화탄소가 쓰이기 때문이다. 출처: Public Domain

철광석(Fe2O3)을 석탄과 함께 1,500°C 이상 높은 온도로 녹이면, 일산화탄소(CO)가 철광석의 산소(O)와 결합해 이산화탄소(CO2)가 되고, 대신 산소(O)와 떨어진 환원철(Fe)을 얻을 수 있다(Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2). 이 과정에서 대략 철강 제품 1톤 당 탄소 1.9~2톤이 배출된다.

수소환원제철은 화석연료 대신 수소를 활용하는 기술이다. 석탄(일산화탄소) 대신 고농도 수소(H)를 환원제로 사용하면 철광석에 있는 산소는 수소와 결합해 물이 된다(Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O). 당연히 이산화탄소도 발생하지 않는다. 기존 고로(용광로) 대신 수소환원제철 설비를 사용한다.

다만 수소환원제철 공법은 비용, 철의 품질 등 아직 여러 과제가 있어 상용화엔 다소 시간이 걸릴 것으로 보인다. 국내에선 포스코가 지난 2007년 수소와 일산화탄소를 1:3 비율로 활용한 파이넥스(FINEX) 공법을 세계 최초로 상용화한 바 있다. 포스코는 오는 2028년까지 연간 100만 톤 규모 실증 플랜트를 구축하는 등 관련 연구를 꾸준히 진행할 방침이다.