탄소 포집 및 저장(CCS): 신생 산업에서 부식 저항성 스테인리스강의 역할

탄소 포집 및 저장(CCS): 부상 중인 산업에서 내식성 스테인리스강의 역할

경제의 탈탄소화 경쟁은 기후 기술의 최전선에 탄소 포집 및 저장(CCS)을 자리매김했습니다. 개념은 간단합니다: 이산화탄소(CO₂) 배출원인 발전소 및 산업 시설 등에서 대기로 방출되기 전에 이산화탄소(CO₂) 배출을 포집한 후 운반하여 지하에 안전하게 저장하는 것입니다.

그러나 실제 적용은 결코 간단하지 않다. CO₂는 특히 공정별 불순물과 물과 섞이게 되면 매우 강한 부식성을 띤다. 이는 거대한 재료 기술의 도전 과제이며, 부식에 강한 합금, 특히 고급 스테인리스강을 올바르게 선정하는 것이 단지 운영상의 세부 사항이 아니라 전반적인 시스템의 실행 가능성의 핵심이다.

이 기사에서는 CCS(탄소 포집 및 저장) 가치 사슬 내의 부식 환경을 분석하고 장기적인 신뢰성, 안전성 및 비용 효율성을 보장하기 위해 적절한 스테인리스강 등급을 선택하는 실용적인 가이드를 제공한다.

핵심 과제: 왜 CO₂가 이렇게 부식성이 강한가?

순수하고 건조한 상태의 CO₂는 상대적으로 무해하다. 문제는 물과 반응할 때 시작된다. 포집 과정에서 CO₂ 기체는 일반적으로 효율적인 운반을 위해 초임계 또는 고밀도상 유체로 압축된다. 이 과정에서 열이 발생하며 대부분의 경우 불순물을 100% 제거하지 못한다.

CO₂가 극미량의 물(H₂O)과 혼합되면 탄산(H₂CO₃)을 생성한다 :
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

이 산은 pH를 낮추고 부식을 유발한다. 일반적인 연소가스 불순물로 인해 상황이 급격히 악화될 수 있다.

• 황산화물(SOx) 그리고 질소산화물(NOx) 황산 및 질산을 생성하여 고도로 공격적인 산성 환경을 조성한다

• 염화물 연료 또는 공기 중의 불순물은 심각한 피팅 부식 및 틈 부식을 유발할 수 있다

• 산소 (O₂) 극소량이라도 강력한 음극 반응 물질로서 부식 속도를 가속화할 수 있다

이러한 요소들의 복합 작용으로 인해 대부분의 산업용 배관 및 용기에서 기본적으로 사용되는 탄소강은 CCS 시스템의 상당 부분에 적용하기에는 부적합하며, 이에 따라 비용이 많이 드는 부식억제 프로그램이 필수적이다. 바로 이러한 상황에서 스테인리스강이 필수적인 역할을 하게 된다

CCS 밸류체인에 따른 스테인리스강 등급 매핑

재질 선택은 공정의 특정 단계와 CO₂ 스트림의 정확한 조성에 크게 의존합니다.

1. 포집: 가장 공격적인 환경

포집 단계는 모든 부식성 불순물(SOx, NOx, 염소화합물, 산소)의 농도가 가장 높은 원래 배기가스를 처리하는 과정을 포함합니다.

• 주요 응용 분야: 흡수탑, 분해탑, 열교환기, 연결 배관, 펌프 및 밸브.

• 부식 유형: 일반 산 부식, 피팅 부식, 틈 부식, 응력부식균열(SCC).

• 추천 등급:

  • 표준 오스테나이트계(304/304L, 316/316L): 불순물이 철저히 제거되는 경우나 비교적 공격성이 낮은 구간에는 적합할 수 있습니다. 그러나 염소 이온에 의한 피팅 및 SCC 위험으로 인해 종종 한계가 있는 선택이 됩니다.

  • 이중상 스테인리스강(예: 2205 / UNS S32205/S31803): 포착 섬(capture island)에서 사용하기 위한 강력하고 경제적인 작업용 소재입니다. 이중상 스테인리스강(Duplex steels)은 다음과 같은 특성을 제공합니다.

    • 응력 부식 균열에 대한 우수한 저항성.

    • 높은 기계적 강도(더 얇은 두께와 무게 절감이 가능함).

    • 점식 부식 및 틈 부식에 대한 우수한 저항성, 특히 316L 대비 우수함.

  • 초저탄소 이중상강(Super Duplex, 예: 2507 / UNS S32750) 및 초저탄소 오스테나이트강(Super Austenitics, 예: 904L / N08904): 더 높은 염소 및 산 함량을 가진 극한의 환경에서 사용하기 위해, 이러한 등급은 부식 저항성 측면에서 현저히 향상된 성능을 제공합니다.

  • 니켈 합금(Nickel Alloys, 예: Alloy 625 / N06625): 펌프 임펠러(pump impellers), 압축기 블레이드(compressor blades), 극심한 오염 지역과 같은 핵심적이고 고응력 부품에 사용됩니다.

2. 운송: 파이프라인 및 압축

포착 후, CO₂는 건조되고 초임계 상태로 압축됩니다. 건조 과정은 부식성을 줄이지만, 항상 완벽하지는 않으며, 공정의 교란은 수분이 혼입될 수 있습니다.

• 주요 응용 분야: 주 송유관, 압축기 케이싱, 단간 냉각기, 밸브.

• 부식 유형: 이상 상태로 인해 응결수가 발생할 경우 일반적인 부식 및 피팅 발생.

• 추천 등급:

  • 억제제가 첨가된 탄소강: 장거리 육상 파이프라인의 경우 탄소강이 표준입니다. 탈수 및 부식억제제 주입 프로그램이 엄격하고 신뢰성 있는 경우에 한함. 이 경우 스테인리스의 역할은 주로 핵심 구성 부품에 사용된다는 점입니다.

  • 스테인리스강 적용 분야:

    • 관도 클래딩: 탄소강 파이프 내부를 얇은 층의 316L 또는 이중상 스테인리스강 2205 합금 파이프의 일부 비용으로 부식 저항성을 갖는 차단층을 제공합니다.

    • 압축 시스템: 가스를 가열하는 압축기는 국부적인 고온 지점을 생성할 수 있습니다. 중간 냉각기에서는 물이 응축될 위험이 있습니다. 이러한 시스템의 구성품은 종종 316L, 2205, 또는 고급 합금 이러한 주기적인 조건을 견디도록 설계됩니다.

    • 밸브 및 계장 장비: 중요한 밸브, 트림 및 압력 센서는 자주 316L 또는 17-4PH (경화 마르텐사이트계 스테인리스강)으로 제작되어 신뢰성을 보장합니다.

3. 주입 및 저장: 하류 분야의 과제

마지막 단계는 초임계 CO₂를 지질 구조물(예: 염수층, 고갈된 유정 및 가스전)에 주입하는 것입니다.

• 주요 응용 분야: 구멍 밸브, 다운홀 튜빙, 케이싱, 밸브 등.

• 부식 유형: 잔류 수분이나 불순물로 인한 부식, 고속 주입으로 인한 마모부식, 그리고 종종 염수로 채워진 지층에의 노출.

• 추천 등급:

  • 다운홀 튜빙 및 케이싱: 이는 매우 중요한 적용 분야입니다. 고장은 있을 수 없는 일입니다. 현재는 억제제를 사용하는 탄소강이 사용되고 있지만, 추세는 부식 저항성 합금(CRAs) 의 사용 쪽으로 가고 있습니다.

    • 이중상 스테인리스강 2205 튜빙에 있어 염수 환경에서 높은 강도와 우수한 내식성을 제공하는 훌륭한 선택입니다.

    • 슈퍼 더블렉스(2507) 그리고 니켈 합금 은 보다 혹독한 다운홀 조건이나 예기치 못한 침투수 유입 위험이 높은 상황에서 적용될 수 있습니다.

  • 웰헤드 장비: 밸브, 크리스마스 트리 및 흐름 라인은 일반적으로 이중상 스테인리스강 또는 단조된 316/316L 로 제작되어 고압 및 부식성 환경에 견딘다.

실용적인 선택 가이드: 핵심 고려사항

재질 등급을 선택하는 것은 단순히 표에서 가장 내식성이 높은 것을 고르는 것이 아니다. 이는 리스크 대비 비용 계산의 일환이다.

1. 유체 조성이 핵심이다: 가장 중요한 요소는 CO₂ 유체의 상세한 분석이다. 불순물의 종류 및 농도(H₂O, SOx, NOx, Cl-, O₂)는 요구되는 합금 성능을 직접적으로 결정한다.

2. 총 수명 주기 비용(Total Lifecycle Cost, LCC): 고급 스테인리스강 및 니켈 합금이 탄소강보다 초기 투자 비용(CAPEX)은 더 높지만, 전체적인 수명 주기 비용은 현저히 낮출 수 있다. 이는 다음 항목들의 필요성을 제거하거나 줄임으로써 달성된다:

   • 지속적인 화학적 억제(운영 비용/OPEX).

   • 빈번한 구조적 검사 및 모니터링.

   • 예기치 못한 정지 및 교체.

3. 안전 계수: CCS(탄소 포집 및 저장)에서 고장은 고압 이산화탄소(CO₂)의 누출(질식 위험) 또는 수십 억 달러 규모의 기후 프로젝트 중단을 의미할 수 있습니다. 스테인리스강과 같은 내식성 재료의 본질적인 신뢰성은 안전 및 운영 측면에서 매우 큰 이점을 제공합니다.

결론: 탄탄한 기반 구축

CCS 산업은 재료 고장에 대한 어려운 교훈을 배울 여유가 없습니다. 불순물이 포함된 이산화탄소 흐름의 부식성은 재료 선택에 있어 능동적이고 체계적인 접근을 요구합니다.

부식에 강한 스테인리스강은 다용도로 사용되는 316L과 견고한 이중상 스테인리스강인 2205, 뛰어난 내식성을 갖춘 슈퍼합금에 이르기까지 안전하고 신뢰성 있으며 경제적으로 실현 가능한 CCS 인프라를 구축하기 위한 필수적인 재료를 제공합니다. 엔지니어들이 가치 사슬 내 특정 환경에 맞춰 알맞은 합금을 신중하게 선택함으로써 프로젝트의 위험을 줄이고 이러한 핵심 시스템이 수십 년 동안 안전하고 효과적으로 작동할 수 있도록 보장함으로써 기후 변화와의 싸움에서 중요한 역할을 수행할 수 있습니다.

결론적으로: CCS에서 재료 선택은 사소한 기술적 문제가 아니라 전반적인 프로젝트 성공을 좌우하는 근본적인 전략적 결정입니다.