국내 비철 분야 CO₂ 배출현황은 2017년 기준 총 1,140만 톤으로 2030년 배출전망(BAU) 기준 1,397만 톤이 발생할 것으로 예상된다. 이는 산업부문별 온실가스 명세서 총 탄소배출량을 국가 전체 탄소배출량 기준으로 추산한 것이다.
국내 비철금속 주요 업체의 CO₂ 배출현황은 <표1>과 같으며, 비철금속 산업의 온실가스 배출 감축을 위해 에너지 공정효율 개선, 찬환경 연·원료 사용 공정기술, 탄소포집·전환기술 활용 등 혁신 기술 연구개발에 집중 투자가 필요한 상황이다.
아연 제조공정은 습식공정과 건식공정으로 구분할 수 있다. 습식공정은 ‘원료투입-배소-침출-정액-전해-주조-출하공정’의 과정을, 건식공정은 ‘아연침출 잔사투입-TSL-침출공정’의 과정을 거친다.
특히, 아연 정광으로부터 순수한 아연 금속을 생산하는 아연제련은 건식제련공정 및 습식제련공정으로 나눌 수 있으며, 국내에서는 모두 습식·건식공정을 이용해 아연을 생산하고 있다.
습식공정은 희석 황산에 용해된 황산아연으로부터 아연 전기분해를 통해 생산하는 방법으로 전 세계 80% 이상의 아연제련소에서 도입하고 있다.
아연제조를 위한 습식공정에서는 6대 온실가스 중 이산화탄소·메탄·아산화질소·수소불화탄소·육불화황과 같은 4가지 종류의 온실가스가 배출되는데, 온실가스 감축을 위해서는 혁신적인 공정 개선이 필요한 상황이다. 습식공정 중 전해공정은 아연의 낮은 환원 전위로 인해 전력에 의한 1.0 t-CO2/tZn의 간접탄소배출이 발생한다.
이를 개선하고자 아연 건식제련공정 개발을 추진 예정이며, 직접 환원 및 수소 환원 기술의 TSL1) 공정 적용기술을 확보하고, 아연제련공정에서 발생하는 CO₂ 직접발생량을 0.38 CO2/tZn까지로 줄일 수 있다.
또한, 산화·환원 조절이 가능한 제련시스템의 개발로 비철제련 부분에 광범위하게 사용 가능한 기술 확보가 가능하며, 철스크랩 및 알루미늄 스크랩을 활용한 직접 환원 기술(테르밋반응 활용), 수소 Lance Handing 시스템 개발을 통한 화석연료를 대체해 CO₂를 줄일 열원공급 기술의 확보가 가능하다.
1) TSL(Top submerged Lance) : 아연 공장 내에서 희소 금속을 추출하는 공법
국내에서 생산하는 기존의 아연 분말 제조공정은 아연제련에서 생산된 잉곳2)을 통해 습식제련공정에서 산화아연을 생산하는 공정을 말한다. 이는 습식 전해 채취법으로 산성·알칼리 분위기를 적용해 전기화학방식으로 80~90℃로 가열하는 방식이다.
탄소중립 실현을 위한 건식 휘발 환원 기반 공정의 도입과 이에 대한 산화환원 생산공정으로의 개선이 필요한 시점이다. 이는 슬래그 성분 제어와 회수가 용이하고, 글로벌 ESG 추세에 맞춰 친환경·저탄소 공정의 도입이 가능할 것으로 판단된다.
2) 잉곳 : 금속 또는 합금을 녹인 후 주형에 흘려넣어 굳힌 것
탄소연료를 사용하는 건식제련 기술에는 아연 건식제련공정 중 발생하는 CO₂ 가스를 포집, 공급할 때 발생하는 CO₂를 재사용하거나 매립하는 공정이 필요하다. 또한 공정에서 발생하는 공정열을 회수해 스팀으로 전환하고, 인근 기업에 에너지원으로 공급할 때 발생하는 폐고온 응축수를 공정에 재이용하는 방안에 대한 검토도 필요하다.
아연 정광을 활용해 저탄소 건식제련 기술개발에 따른 표준의 시장성은 존재하나, 대부분 기업이 습식제련 기술을 사용한다.
일부 건식제련 기술을 선택한 기업도 탄소중립과는 거리가 멀고, 각 기업이 사용하는 설비·공법 등이 상이하여 표준화 개발은 미비한 상태다. 그러나 비철산업의 공정 특성상 탄소배출이 많고, 그중 아연 정광·분진으로부터 제련공정에서의 저탄소화와 기술개발에 따른 표준화는 특히 더 중요하다.
신규 제정된 ISO 14068은 탄소중립 실현을 위해 Scope 1, 2 배출량 관리에서 벗어나 전과정평가 관점에서의 조직·제품에 대한 온실가스 배출량 산정의 중요성을 강조하고 있다.
한편, 아연 관련 국제표준화를 수행하는 기술위원회 ISO/TC 18(아연 및 아연 합금)은 아연 및 아연 합금뿐만 아니라 아연 합금 주물의 정의·분류·품질·샘플링 및 승인 테스트 등의 표준화를 추진 중이며, 현재 10건의 표준이 제정되었다.
탄소중립 관련 국제표준화를 수행하는 ISO/TC 207(환경관리)은 온실가스 배출을 관리하고, 지속가능성을 지원하고자 기후 변화의 영향에 적응하기 위한 표준을 개발하고 있다. 현재 69건의 표준이 제정되었으며, 24건의 표준 제정이 진행 중이다.
비철산업의 저탄소화와 아연의 저급화에 동시에 대응하기 위해서는 기존 공정에서의 혁신적인 저탄소 기술개발로 용융환원 제련 공법을 활용한 기술개발이 필수적이나, 특수성으로 국제표준의 개발이 진행되고 있지 않다. 더불어 철광석의 수소환원 기술에 대한 연구가 다수 진행되고 있는 반면, 아연 정광 및 분진의 건식제련 기술의 개발은 기초적인 연구에 머물고 있으며 상용화 기술 적용은 전무할뿐더러 관련 표준 또한 없는 상황이다.
국내 비철금속 원료·소재·부품 등은 아연, 구리 등 국내 생산이 가능한 금속 이외의 대부분을 해외 수입에 의존하고 있다. 실제로 국내 비철금속 생산을 위한 기술력이 부족할 뿐만 아니라 전 세계적인 환경악화로 인해 탄소중립을 목표로 온실가스 감축을 위한 기술개발이 이루어지고 있다.
기술개발 측면에서는 기존의 비철금속 생산공정뿐만 아니라 국내 비철금속 생산을 위한 병목 기술에도 온실가스 감축을 포함한 기술이 요구된다. 특히 국내 비철금속 제련산업이 활발히 이루어지고 있는 아연, 동 등은 제련공정에서 발생하는 온실가스 감축을 위한 CO₂ 가스 포집 기술 또는 새로운 제련공정 기술의 개발이 시급한 것으로 판단된다.
국제표준의 경우, 아연 정광 및 분진으로부터 이산화탄소 배출량을 최소화한 친환경 건식제련 기술개발에 따른 성능지표는 기술적 노하우로 관리되고 있으며, 관련 국제표준은 제정되지 않은 상황이다. 대다수 비철의 경우 표준화 작업이 미비한 편으로, 이를 반영한 국제표준이 마련될 수 있는 환경이 필요하다.
표준화 연구개발을 통해 비철산업에서의 최종적인 탄소중립 목표를 달성할 기술적 토대를 마련함으로써 선도 기술 국가로 발돋움할 것이다.
더불어 환경 전과정평가와 같은 관점에서 공정 전체의 표준화를 위해 재료·장비·인력에 대한 관리 기준 확보가 필요하다.
탄소배출 규제가 강화되는 상황에서, 표준화는 국제사회의 요구사항을 충족시키고, 추후 환경세 및 탄소배출권 등의 비용을 절감할 수 있다. 탄소중립으로 가기 위한 기술개발 과정에 표준화 연구개발이 동행한다면 대내외 경쟁력이 확보될 것이다.
아직은 해당 기술과 산업의 규모, 특수성으로 표준화 연구개발이 쉽지 않을지라도 전략적인 지원을 통해 선제적으로 대응해야 한다.
