고로 가스 CCPP 발전 기술 발전 가능성

에너지 효율성 및 탄소 감축 협력을 강화하기 위해

미쓰비시 파워 가스터빈 엔지니어링 테크놀로지(난징) 유한공사의 타카히로 카와구치 의장은 연설에서 "올해 상반기에는 수요 위축, 공급 충격, 신종 코로나바이러스 감염증 확산 등으로 철강 산업의 이익이 크게 줄었고, 제품 가격도 지속적으로 낮은 수준을 유지하고 있다. 전 세계적으로 탄소 제로화, 수소 에너지 활용, 디지털 기술의 급속한 발전으로 시장 환경과 고객 니즈가 극적으로 변화하고 있다. 복잡한 시장 상황에 직면해 미쓰비시는 중국 철강 기업들과 함께 에너지 절약 및 탄소 감축 분야에서 협력을 강화해 나가고자 한다."라고 밝혔다.

미쓰비시 파워 가스터빈 엔지니어링 테크놀로지(난징) 유한공사의 쉬 시우푸 총경리는 “국가 탄소배출권 거래시장 개설을 계기로, CCPP 발전설비(가스-증기 복합순환 발전설비)의 탄소감축 효과는 철강산업에 있어 자체 발전 외 또 다른 수익 창출 포인트가 될 뿐 아니라 기업에 더 많은 사회적·환경적 혜택도 가져다줄 것”이라고 말했다. 기존 생산 공정 및 에너지 공급 구조를 변경하지 않으면서도 CCPP 기술은 철강산업의 에너지 절약 및 탄소 감축을 위한 효과적인 방안 중 하나이다. 현재까지 중국 내 미쓰비시 CCPP 발전설비는 누적 2,000억 kWh 이상의 전기를 생산했으며, 철강산업에서 표준석탄 약 5,800만 톤을 절약하고 이산화탄소 배출량을 1억 5,000만 톤 이상 줄였다. 동일한 시기에 건설된 고온·고압 및 초고압 보일러-발전기 설비와 비교해 CCPP 발전설비는 모든 지표에서 30% 이상 앞선다.

지금까지 다양한 모델의 미쓰비시 CCPP 발전기 세트 33대가 국내 철강 기업에 도입되었으며, 이 중 30대는 가동 중이고 3대는 건설 중이다. 가동 중인 장치들의 누적 운전 시간은 237만 시간을 넘었고 가용성은 99%를 상회한다. 이로써 철강 산업이 CCPP 발전기 세트의 운전 신뢰성에 대해 처음에 가졌던 우려는 해소되었다.

저탄소 기술 개선

저탄소 발전은 환경, 에너지 및 자원 제약의 병목 현상을 해결하고 산업의 고품질 발전을 촉진하는 중요한 내용이자 핵심적인 체현과 최종 목표입니다.

메탈러지컬 인더스트리 플래닝 앤드 리서치 인스티튜트의 부총공정사 가오 쉐우는 “핵심 대·중형 철강 기업은 산업 발전의 선진 수준을 대표한다. 중국 철강산업협회가 공개한 자료에 따르면, 전국 핵심 대·중형 철강 기업의 2021년 철강 1톤당 종합 에너지 소비량은 549.24kg 표준석탄으로, 2020년 대비 0.59kg 표준석탄 감소했으며, 감소율은 0.11%다. 2015년 대비 철강 1톤당 종합 에너지 소비량 감소율은 4%에 달한다.”고 말했다.

가오쉬에는 2020년 대비 2021년 코크스 오븐 가스 배출률이 0.39%p 감소하거나 40.17% 감소했으며, 고로 가스 배출률은 0.08%p 감소하거나 6.30% 감소했다고 소개했다. 전기로 가스 1톤당 회수량은 119.2세제곱미터에 달해 1.40% 증가했다. 산업 내 2차 에너지 활용 수준을 나타내는 폐열 및 에너지 자급률은 2015년의 44%에서 2021년의 54%로 점진적으로 10%p 상승했다.

불완전한 통계에 따르면, 2020년 중국의 주요 통계 대상 철강 기업에서는 총 설치 용량 6,156MW 규모의 CCPP 발전기 세트 55대가 건설되었다. 2020년에는 같은 기업들에서 총 설치 용량 2,386MW 규모의 증기 발전기 세트 357대가 건설되었다. 또한 2020년에는 총 설치 용량 34,730MW 규모의 가스 보일러 발전기 세트 약 700대가 건설되었으며, 전년 대비 3,130MW 증가하였다. 통계에 따르면, 2021년 국가 평균 자체 발전 비율은 약 54%가 될 것으로 예상된다.

저탄소 전환 기술의 적용 수준을 제고하기 위해 가오 쉐는 세 가지 제안을 제시하였다. 첫째, 코크스 오븐 내 자동 석탄 분배 수준을 대대적으로 확대하고, 고로에서의 석탄 절약 및 코크스 감축 등 선진 공정 기술을 도입하여 석탄 이용 효율을 높이고 에너지의 고효율 전환을 촉진하는 것이다. 둘째, 철강 산업의 최종 에너지 소비에서 전기 에너지 비중을 확대하고, 에너지 이용 효율을 체계적으로 개선하며, CCPP 고효율 발전 기술을 적극 장려하고 보급하는 것이다. 셋째, 에너지 저장 기술을 대대적으로 개발하는 것으로, 철강 기업의 가스 발전 및 폐열 발전 설비를 기반으로 고체 열 저장 및 용융 염 열 저장 기술을 활용하고, 에너지 디지털화 플랫폼을 바탕으로 시간대별 요금제, 전력 거래 등을 포함한 다중 에너지 협동 제어 기술을 적용하여 철강 기업의 에너지 시스템 조절 능력을 강화함으로써 피크 절감 및 계곡 충전이라는 핵심 기능을 수행하게 하고, 수요 측에 신속히 대응하며 신재생 에너지 소비를 촉진하는 한편, 대규모 신재생 에너지 도입으로 인해 발생하는 문제를 해결하는 것이다. 또한 이는 대규모 신재생 에너지 도입으로 야기되는 지역 차원의 공급-수요 불일치 문제를 해소하고, 공급-망-수요 간 상호작용 역량을 강화하며 지역 차원의 에너지 사용 균형을 맞추고 에너지 가치를 제고한다.

자가 발전 효율성 향상

「제14차 오년 계획」기간 동안, 탄소 배출 감축과 에너지 소비의 이중 통제 하에 철강 산업의 생산 능력은 엄격히 통제될 것이며, 이는 기업들이 효율성을 높이고, 탄소를 줄이며, 비용을 절감하고 수익성을 증대하도록 더욱 촉진할 것이다.

미쓰비시 파워 가스터빈 엔지니어링 테크놀로지(난징) 유한공사의 영이정( Yong Yizheng) 수석 엔지니어는 ‘에너지 절약 및 탄소 감축이라는 배경 하에 철강 산업은 가스를 활용한 자체 발전 비중을 급속히 확대하고 있다. 생산 능력이 큰 폭으로 증가하지 않은 상황에서도, 전체 자체 발전 설치 용량 대비 ‘13차 5개년 계획’ 말기 기준으로 12.8퍼센트 증가했다. 전반적으로 철강 기업의 자체 발전 수준은 지속해서 향상되고 있으나, 이중 초임계 및 준임계 방식을 대표로 하는 중간 매개변수 발전기들이 여전히 업계에서 주류를 이루고 있으며, 발전 효율이 45퍼센트를 넘는 대규모 고효율 CCPP(복합 사이클 발전) 설비의 비중은 여전히 낮은 편이다. 중국 내 설치된 대규모 CCPP 발전 설비의 총 용량은 2983MW로, 동일 기간 일본 철강 산업의 대규모 CCPP 발전 설비 설치 용량인 2363MW보다 높다. 그러나 중국의 철강 생산 능력이 10억 톤인 데 반해 일본은 9000만 톤이므로, 양국을 비교 분석해 보면 중국 철강 산업의 선진 고효율 고로 가스 발전 기술에는 아직도 상당한 발전 여지가 있다.’고 밝혔다.

안산 에너지 컨트롤 제2 발전소 운영 운영 구역 책임 엔지니어 장 쯔오밍 씨는 “안산 철강은 환경 보호 및 자원 순환 경제 발전을 매우 중시하며, 항상 ‘자원 순환형 개발’이라는 이념을 고수하고 있다. 풍부한 가스를 효율적으로 활용하기 위해, 풍부한 석탄가스를 효율적으로 이용하는 CCPP 발전 공정을 채택하였다. 기존 가스 발전기 세트와 비교해 180MW CCPP 발전기 세트는 뛰어난 적응성과 광범위한 고로 가스 열량 범위를 갖추고 있으며, 연소 엔진과 증기 엔진이 이중 축으로 배치되어 공공 난방이 가능하므로 석탄 연소 난방 보일러로 인한 도시 지역 대기 오염을 줄일 수 있다. 잠재력의 심층적 발굴과 운영 최적화를 통해 발전 효율이 47.3% 이상에 달해 기존 가스 보일러 발전 유닛보다 높다.”라고 말했다.

마안산 스틸 에너지 및 환경 부의 발전 분과 내 연소 엔진 엔지니어 장젠치우 씨는 “당사 에너지 및 환경 부는 국내 최초의 저열량 단축식 M701SDAX 복합 순환 발전기 세트를 도입하였다. 이 설비는 정격 부하 183메가와트로 설계되었으며, 설계 열효율은 47% 이상, 실측 열효율은 48% 이상이며, 연간 발전 용량은 약 1,427.4백만 킬로와트시에 달한다. 이를 통해 철강 제조 과정에서 발생하는 풍부한 가스 자원을 완전히 재활용하고 활용함으로써 가스 방출을 줄이고 생태 환경을 보호하며 자체 발전 효율을 향상시킬 수 있다.”고 말했다.

"마스틸 베이후 발전소의 183MW 복합순환발전(CCPP) 설비가 가동된 이래, 지속적인 안정적 장기 운전을 실현하였으며, 2022년 1월부터 6월까지 총 7억 8,030만 kWh의 전력을 생산하였다. 부하율은 99%에 달해 경제적·사회적·환경적 이점을 모두 달성한 윈윈 상황을 실현하였다." 장젠치우가 말했다.

품질 향상과 효율성을 더욱 높이고 탄소 배출 강도를 줄이기 위해 미쓰비시 파워는 현재 철강사들을 위한 더 효율적이고 소형화된 CCPP 발전 세트에 대한 연구 개발 작업을 진행 중이다. 동시에 미쓰비시 파워는 수소와 암모니아를 연료로 사용하는 가스 터빈도 개발하고 있으며, 이 기술은 완전히 탄소가 없는 연료를 사용해 탄소 배출을 제로로 실현할 것이다.