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더 맑은 하늘을 위한 포스코의 “극한 스테인리스 소재” 솔루션!

‘친환경’, 기업부터 개인까지 비켜갈 수 없는 공동의 이정표. 포스코의 GPS 역시 친환경으로 가는 길 위에 있다. 우리 일상을 더욱 친환경적으로 이끌고 있는 Green POSCO Solution, 그 이야기들을 뉴스룸이 특집 시리즈로 전한다.

강초록이 오늘은 파란 하늘에 심취했네요. 창문을 열고 맑은 공기를 한껏 들이마셔봅니다. 하지만 이런 파란 하늘을 보는 게 요즘은 하늘의 별 따기 같다는 생각에 마음이 무거워지네요. 미세먼지의 주범들을 없애버릴 수는 없을까요?


l 미세먼지, 왜 생기는 걸까?

강초록, 김철석 철석아, 오늘 날씨가 참 좋다~ 하늘이 파랗네. 일기예보를 보니 내일은 미세먼지가 심할 거라고 하는데, 미세먼지 왜 생기는 걸까?

그거 알지? 미세먼지는 공장이나 자동차에서 배출되는 1차 미세먼지가 있고, 가스 상태로 배출됐다가 대기 중에서 화학반응을 일으켜 미세먼지가 되는 2차 미세먼지가 있다는 거. 그리고, 실은 2차 미세먼지 비중이 훨씬 더 크다는 거.

강초록, 김철석 맞아, 그 얘기 들어서 알고 있어. 그럼 2차 미세먼지를 만드는 원인물질은 뭐야?

황산화물, 질소산화물이 대표적인데, 무엇보다 황산화물의 영향이 크다고 할 수 있어. 화석 연료를 태울 때 발생하는 탄소(C)와 황(S)이 산소(O2)와 만나면 이산화탄소(CO2)와 황산화물(SOx)을 만들거든. 이산화탄소는 지구온난화, 황산화물은 대기오염을 일으키지. 다행인 건 전 세계적으로 탈석탄화 움직임이 가속화되고 있다는 사실이야. 미국이나 영국, 일본 등은 기후 위기에 공감하며 석탄화력발전소 감축을 발표하기도 했어. 하지만 여전히 국내 에너지원 중 발전량이 가장 높은 건 화력발전이기 때문에 한동안 화력발전과 우리는 공존해야 하는 상황으로 보여.

l 황산화물을 제거를 위해 ‘탈황설비’가 있지

강초록, 김철석 한동안 화력발전과 공존해야 하는 상황이라면 오염물질은 어떡해?

너무 걱정 마 초록아. 화력발전소의 오염 물질을 줄이기 위한 다양한 대책들이 마련되어 있어. 환경 투자도 늘고 있고. 우리나라는 2015년 이후에 설치하는 화력발전의 배출허용기준을 과거에 비해 아주 엄격하게 개정하기도 했지. 같은 설비인데, 황산화물 배출량을 줄이려면 어떻게 해야 할까?

강초록, 김철석 음… 황을 걸러주는 설비를 추가로 설치한다든가…

정답이야. 그 설비를 ‘탈황설비’라고 해. 탈황설비는 화력발전소, 산업용 보일러 등 대형 유틸리티 공급 설비나 제철소, 정유, 시멘트 공장 같은 산업시설에서 배출하는 가스에 포함된 황산화물을 제거하는 친환경 설비야. 석탄 연소 후 깨끗한 공기와 물만 배출하게 도와주는 장비라고 생각하면 쉬워. 화력발전소를 예로 들어볼까?

화력발전 탈황설비 구조도

강초록, 김철석 어떻게 작동하는 건데?

이해하기 쉽게 그림으로 설명해 줄게. 화력발전소의 대표적인 탈황설비는 △흡수탑, △가스열교환기, △탈황폐수처리설비를 꼽을 수 있어. 흡수탑은 발전소에서 배출되는 연소가스가 거쳐 가는 통로로, 황 성분을 흡수하는 기능을 해. 열교환기는 흡수탑 전후에서 열을 뺏거나 가해서 탈황효율을 높여주는 설비야. 그리고 탈황폐수처리설비는 이름 그대로 시설 내에서 발생한 폐수의 황 성분을 제거, 희석하는 장치지.

강초록, 김철석 그럼 이런 환경 설비를 이용하면 황이 어느 정도 제거되는데?

가장 최신의 탈황설비의 경우, 탈황설비 없는 화력발전소에서 대기로 배출되는 황의 양과 비교하면 대략 98%의 황을 제거할 수 있을 걸로 기대돼. 만약 설비용량이 560MW인, 1995년 이전에 설치된 노후 발전소의 탈황설비를 최신 흡수탑과 가스열교환기로 교체한다면 연간 약 4,500톤의 SOx를 추가로 감축할 수 있어. 이 화력발전소를 20년 동안 가동한다고 가정하면, 약 91,000톤에 이르는 양이지.

화력발전소에 탈황설비(흡수탑, 열교환기)를 새로 설치하면? 대기로 배출되는 황산화물[SOx] 발전소 1기당* 연간 4,500톤 20년간 91,000톤 감축되는 효과! *발전설비 용량 560MW 기준

l 근데, 탈황설비 소재는 수입해서 쓴다고?

강초록, 김철석 이렇게 획기적으로 황 배출량을 줄여주는 탈황설비가 있으니 화력발전소를 좀 더 친환경적으로 운영할 수 있겠다.

맞아. 네가 좋아하는 파란 하늘을 오래도록 보기 위해 탈황설비는 화력발전소가 완전히 사라지기 전까지 꼭 필요한 설비야. 그런데 한 가지 문제가 있어.

강초록, 김철석 문제가 있다고? 무슨 문제?

탈황설비에 들어가는 철강재들이 대부분 수입재 스테인리스 스틸이라는 사실이야. 탈황설비 내부는 고농도의 황산에 노출되기 때문에 부식에 강한 강재를 사용해야 해. 보통 N08367, S31254, 329J4L(각 강종에 대한 설명은 차차하도록 하고!)과 같은 고합금 스테인리스 스틸이 쓰이는데 대부분을 수입해서 사용하고 있었어. 화력발전소 환경 설비를 보강하면서, 탈황설비에 쓰이는 고합금 스테인리스 스틸 수요가 점점 증가하고 있는데, 수입재를 쓰면 가격이나 수급 안정성 면에서 불리하니 골치가 아픈 상황이었지.

l 걱정 마! 포스코가 탈황설비 소재 국산화에 성공했어~

강초록, 김철석 국산화는 어려운 거야?

그럴 리가! 포스코가 있는걸! 포스코는 이미 선박용 탈황설비(SOx scrubber) 핵심 소재 국산화를 이룬 경험이 있잖아. 이 기술이 바다 위에만 있으라는 법 있어? 육상에서도 그 기술력을 그대로 발휘한 거지! 당시 개발한 강종과 용접 솔루션들을 기반으로 발전소용 탈황설비 솔루션도 자신 있게 시작했어. 포스코가 화력발전소 탈황설비를 어떻게 국산화했는지 하나씩 자세히 설명해 줄게!

① 흡수탑: 수입재 N08367 코일 ➔ 포스코 S31254 코일로 국산화!

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강초록, 김철석 흡수탑? 연소가스의 황 성분을 흡수하는 탑이라고 그랬지?

딩동댕동~ 흡수탑은 황산화물이 다량 함유된 배출가스에 세정수를 분사해서 가스를 정화하는 탈황설비야. 흡수탑용 강재로는 보통 몰리브데넘이 6% 이상 함유된 ‘6Mo(6몰리)’강을 사용하는데, 기존의 탈황설비 설계 지침서에는 N08367(20Cr-24Ni-6Mo)이라는 수입재만 사용하도록 고정해 놓아서 다른 강종은 진입이 어려운 상황이었어.

강초록, 김철석 우리 소재를 두고 무조건 수입재를 써야 한다는 거야?

그래서 포스코는 수입재를 대체할 수 있는 강종을 개발, 시험 생산해보기로 했어. 선박 탈황설비에 성공적으로 적용된 S31254(20Cr-18Ni-6Mo)을 활용하기로 했지. S31254로 흡수탑을 제작한 후 실제 발전소에서 필드 테스트에 돌입했거든. 자그마치 1년의 시간이 흐른 뒤 N08367과 S31254를 비교해보니, 모재는 물론 용접부까지 S31254의 내식성이 N08367과 최소 동등하거나 뛰어난 걸로 밝혀졌어.

발전소 필드 테스트 1년 후. (좌측 이미지)S31254, (우측이미지)N08367. 김철석 양쪽 다 부식되지 않았지? S31254가 N08367을 대체할 수 있다는 걸 증명해! 강초록, 김철석
그럼 수입산 강재 N08367을 포스코 강재 S31254로 교체할 수 있겠다!

맞아! 이제 새롭게 건설되는 발전소나 노후 발전소의 흡수탑을 100% 국산화해서 제작할 수 있게 되었어.

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② 가스열교환기: 수입재 329J4L 심리스 튜브 ➔ 포스코 329J4L 용접 튜브로 국산화!

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강초록, 김철석 가스열교환기는 어떤 역할을 하는 거야?

가스열교환기(GGH, Gas-Gas Heater)는 흡수탑 전후에서 기체의 온도를 조절하는 역할을 해. 교환기 안에는 스틸 소재의 튜브가 3~4열 설치되어 있어. 이 튜브 속에 뜨겁고 차가운 물이 돌아다니면서 석탄 연소 후 나오는 배출가스의 열은 뺏고(냉각기, Cooler), 이 열을 가지고 탈황 후 정화된 공기는 다시 데워줘(재열기, Reheater). 배출가스의 열을 뺏는 이유는 탈황 효율을 높이기 위해서고 정화된 공기를 배출 전에 가열하는 것은 밖으로 빠르게 확산시키기 위해서야.

강초록 그렇구나. 가스열교환기에도 고합금 스테인리스 스틸을 쓰겠지?

화력발전 열교환기 구조 [Non-leakage type GGH] 뜨거운 배연가스 - GGH 냉각기 (뜨거운물, 차가운물 튜브) - 차가워진 배연가스 - 흡수탑 - 정화된 공기 - GGH재열기 - 뜨거운 공기 - 굴뚝 *냉각기, 재열기 속 튜브 개수는 설계마다 다름

김철석 가스열교환기는 부식되기 쉬운 환경에 노출되기 때문에 발전소 설계 기준에 의해 소재는 단 두 가지로 규정되어 있어. 앙코르강(ANCOR강)이라고도 불리는 포스코의 내황산강, 혹은 고합금 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강(329J4L)이야. 대부분 앙코르강으로 튜브를 제작하지만 재열기 속 첫 번째 튜브의 환경은 특히 부식성이 강하기 때문에 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강으로 만든 심리스 튜브를 주로 사용해.

강초록, 김철석 329J4L 심리스 튜브. 이게 바로 수입재구나!

그렇지. 이 튜브를 전량 일본에서 수입해 사용하고 있었거든. 심리스(Seamless) 튜브는 이름 그대로 용접부가 없는 튜브인데, 고온인 막대 모양의 봉강 내부로 작은 직경의 바(bar)를 밀어 넣어서 튜브 형태로 제조하거나 봉강 내부를 기계가공하는 방식이라 공정이 까다롭고 가격이 비싸대. 제조 수량이 적어 수급도 불안정했고. 소재 국산화가 절실한 이때 해결사로 누가 나타났을까?

강초록, 김철석 포스코가 또?

정답! 포스코는 스테인리스 용접 강관 전문 제조사인 창신특수강과 손잡고, 일본산 소재를 완전히 대체할 수 있는 국산품 개발에 착수했어. 용접선이 없는 심리스 튜브와 동등한 특성을 지닌 용접 튜브를 개발한 거지. 소재는 포스코의 슈퍼 듀플렉스강 329J4L를 사용했어.

강초록, 김철석 아무래도 용접선이 없는 튜브에 비해 용접 강관은 부식에 취약할 것 같은데?

상식적으로는 그렇지? 용접 튜브에서 가장 취약한 부분은 물론 용접부야. 특히 이번 개발에서는 심리스를 상대로 동등 수준 이상의 품질을 확보해야 했기 때문에 용접부와 모재(母材)가 같은 성질을 유지하도록 하는 것이 핵심이었어. 포스코는 이를 위해 아크 용접, 레이저 용접, 전기저항 용접 등 튜브에 쓸 수 있는 다양한 용접 방법을 잇따라 테스트했어. 몇 번의 실험 끝에, 모재와 용접부가 동등한 성질을 유지하는 레이저 용접을 적용하기로 했지. 이후 용접부 내식성을 확보하기 위해 용접 시 용접부에 공급되는 열량과 용접 속도, 보호 가스 종류 등 레이저 용접조건을 수차례에 걸쳐 최적화하고, 용접부 미세조직을 제어하기 위한 후열처리(PWHT: Post Weld Heat Treatment) 조건도 오랜 시행착오를 거쳐 계산해냈어. 창신특수강은 포스코의 연구 결과를 바탕으로 튜브 제작 테스트를 이어갔고, 기술 개발에는 꼬박 1년이 걸렸지.

329J4L 파이프 용접 솔루션 기술 개발 with 창신특수강 레이저 용접 + 후열처리

강초록, 김철석 1년 연구의 결과는?

용접을 했는데도 심리스와 같은 성능이라는 것을 확실하게 확인하는 것이 필요했기 때문에 포스코와 고객사가 함께 힘을 합쳐 국산 튜브가 일본재 이상의 성능이 보장된다는 것을 확인하는데 6개월을 더 보냈어. 6개월간 329J4L 용접 튜브 개발 후 기존 329J4L 심리스 튜브와 내식성을 비교해보았더니, 내식성은 물론이거니와 수입재와 최소 같거나 뛰어난 수준의 물성이 확보된다는 것을 확인했어. 긴 마라톤 같던 시험이 끝나고, 결국 ‘19년 12월에 최종 품질 합격을 받는데 성공했지! 지난해 1월에는 발전소 설계사의 기술심의를 최종 통과했어. 즉, 국산화에 성공한 거야.

강초록, 김철석 박수!!

현재 포스코는 국내 화력발전소 가스열교환기용 329J4L의 생산 및 공급을 완료했고, 창신특수강에서 용접 튜브로 부지런히 가공 중이야.

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③ 탈황폐수처리설비: 수입재 S31254 후판 ➔ 포스코 S31254 후판으로 국산화!

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강초록, 김철석 대기 중으로 배출되는 황도 줄여야 하지만, 폐수 속 황도 제거해야지. 폐수 처리는 어떻게 이뤄지는 거야?

기존에는 폐수를 정화해서 배출했다면, 요즘엔 폐수 무방류 시스템(ZLD, Zero Liquid Discharge)을 적용하는 추세야. 시설 내에서 나온 폐수를 자체적으로 처리해서 시설 내에서 재사용하는 방식이지. 이를 위해 황 성분을 씻어낸 폐수를 정화하고, 농축된 찌꺼기는 고형화해 분리하는 건데, 흡수탑과 마찬가지로 고농도의 황산에 노출되기 때문에 고내식 소재가 요구돼.

강초록, 김철석 오 그럼 S31254를 쓰면 되겠다!

그렇지! 척척박사 다 됐네~ 폐수 무방류 시스템용 소재로는 S31254 후판을 사용해. 국내 발전소들은 기존에 유럽에서 생산한 S31254 후판을 가져다가 쓰고 있었는데, 표면 품질 문제와 기술 지원 한계에 부딪혀 포스코에 S31254 후판 개발 요청이 들어왔어.

강초록, 김철석 포스코는 이미 선박용 탈황설비에 쓰이는 S31254가 있잖아.

맞아. 하지만 S31254 제품을 탈황폐수처리설비에 적용하기 위해서는 제조 범위를 확대할 필요가 있었어. 선박용 탈황설비에 쓰는 S31254는 두께가 최대 6mm 이면 충분해서 코일 제품으로 공급이 가능했는데, 석탄화력발전소 탈황폐수처리설비에는 8mm 이상의 후판 소재가 요구되거든. 포스코는 S31254 후판 압연 기술 개발에 속도를 올림과 동시에 사외 임가공 프로세스에 함께할 업체들과 손을 잡았어. 고객사가 요구하는 사이즈의 S31254 후판 반제품을 포스코가 만들면 사외 임가공 업체에서 소둔, 산세, 교정을 통해 적절한 재질과 표면품질을 가지는 완제품으로 생산해서 발전소에 공급하는 거지. 이제 100% 국산 소재, 기술로 만드는 탈황폐수처리설비를 기대할 수 있어.


깨끗한 하늘을 잃어버릴까 걱정했던 초록이가 안도의 한숨을 내쉬네요. 친환경 시대를 앞당기는 국산 소재들이 속속 개발되고 있으니 말이에요. 그리고 그 여정에는 포스코가 함께하고 있습니다. 깨끗한 지구를 향한 포스코의 발걸음을 응원해 주세요!