탈질공정을 위한 암모니아 공급설비 비교

대기로 배출되는 연소가스내의 질소산화물을 제거하기 위해 암모니아 가스와 질소산화물을 공기 존재하에 반응시키면 질소와 수분으로 전환된다. 이 과정에서 암모니아를 공기와 희석한 상태로 grid를 통해 촉매 전단 (SCR) 혹은 flue gas duct상에 희석 암모니아를 공급한다. 암모니아를 공급하기 위해서는 암모니아수를 증발시켜 공기와 혼합하여 공급할 수도 있고, 요소수를 가수분해한 암모니아와 공기를 혼합하여 공급할 수도 있다.

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이와 관련하여 두 가지 시스템에 대해 아래와 같이 비교해 보았다.

Urea to ammonia system

탈질 시스템 (SCR: 선택적 촉매 환원법)에서 질소산화물(NOx)을 제거하기 위해 환원제로 요소수(Urea Solution)와 암모니아수(Ammonia Solution)가 주로 사용되며, 최종적으로 촉매와 반응하여 NOx를 물과 질소로 분해하는 것은 암모니아(NH3)이지만, 이 암모니아를 어떻게 공급하느냐에 따라 차이가 발생한다.

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요소수 vs 암모니아수 차이점

구분	요소수 (Urea Solution, 32.5~40%)	암모니아수 (Ammonia Solution, 25%)
주성분	요소((NH2)2CO) + 물	암모니아(NH3) + 물
작동 방식	열분해 / 가수분해를 통해 암모니아 생성 (155°C 이상)	직접 기화하여 공급
안전성	매우 안전, 무독성, 운반/보관 용이	유독성, 위험 물질, 취급 주의
부식성	낮음	높음
취급(냄새)	냄새 없음, 취급 편리	지독한 암모니아 냄새, 가스 발생
반응 효율	상대적으로 낮음 (분해 과정 필요)	높음 (즉각적인 반응)
주 사용처	디젤 자동차, 소규모/중형 산업 설비	대형 발전소, 대규모 소각장
법적 규제	거의 없음 (일반 화학물질)	유해화학물질 관리법 등 엄격한 규제
안전 설비	일반적인 소방 설비	가스 누출 감지기, 수막 설비(Water Curtain), 중화 설비
저장 설비	일반 저장탱크 (FRP/SUS), 보온 장치	압력 용기 또는 밀폐형 탱크, 냉각 장치
장점	독성이 없고 폭발 위험이 낮아 저장 및 운반이 매우 안전함.	대규모 설비에서 높은 질소산화물 제거 효율을 꾸준히 유지
단점	요소수 분해 및 혼합 장치가 필요하며, 분사구에 요소 찌꺼기가 발생할 수 있고, 초기 가동 시 온도 상승까지 시간이 소요되어 즉각적인 탈질이 어려울 수 있다.	유독 물질로 취급 시 엄격한 안전 관리 규정이 필요하고, 독성 가스 발생 위험으로 인해 저장 시설 구축 및 관리 비용이 많이 든다.

탈질 시스템(SCR/SNCR) 구축 시 요소수와 암모니아수 방식은 설비 구성부터 운영 비용까지 큰 차이를 보이며, 특히 암모니아수는 안전 관련 방호 설비 때문에 초기 투자비에 큰 영향을 미친다.

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초기 투자비는 요소수의 경우 독성 가스 누출 위험이 없으므로 법적 안전 방호 시설을 구축할 필요가 없어서 암모니아수 방식이 인허가 비용 등을 포함하여 요소수 방식보다 약 1.5배 ~ 2배가량 높다. 암모니아수는 유해화학물질로 분류되어 법 규제에 따른 안전 설비 (누출 방지턱, 감지기, 살수 장치 등) 구축 비용이 매우 많이 들지만, 약품 구매비용은 요소수가 더 비싸다.

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최근에는 요소수의 안전성과 암모니아의 효율성을 동시에 잡기 위해 요소수 현장 기화 방식(Urea to Ammonia)을 채택하기도 하며 이는 투자비는 높지만, 안전 규제를 피하면서도 높은 탈질 효율을 낼 수 있는 대안이다.

 

U2A system

화학물질관리법(화관법)에 따르면, 암모니아수의 유해화학물질 해당 여부와 관리 강도는 농도 10%를 기준으로 결정되며 현재 탈질 시스템에서 사용하는 암모니아수는 보통 20%~25% 농도 제품이 가장 흔하기 때문에, 대부분의 경우 유해화학물질로 분류되어 엄격한 규제를 받게 된다.

무수 암모니아는 매우 독성이 강하며, 액화하여 20bar 압력 용기에 저장한다. 또한 이송이나 입출하 그리고 저장 및 사용시 위험이 높고 법적인 책임 또한 크게 요구된다. 만약 저장 과정에서 tank failure가 발생되면 암모니아 에어로졸 증기운이 형성되어 수 km까지 영향을 줄 수 있다. 비록 암모니아수는 무수 암모니아에 비해 농도는 암모니아 낮지만 유사한 위험이 있으며 따라서 점점 규제가 강화되고 있다.

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이에 비해 요소수는 안정적이며 비인화성이고 비독성이며 현장에서 수요에 의해 즉각적으로 요소수를 반응기에서 암모니아로 가수분해하여 안전하게 공정에 공급할 수 있다. 반응기에서는 가압하에서 스팀이나 전기에 의해 가열 및 증발되어 암모니아, 이산화탄소, 수증기로 전환되고 이 혼합가스는 공기와 희석되어 AIG로 공급된다.

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농도에 따른 법적 분류 (화관법 기준)

구분	암모니아 농도 10% 미만	암모니아 농도 10% 이상
유해화학물질 여부	해당 없음 (일반 화학물질)	해당됨 (유독물질)
사고대비물질 여부	해당 없음	해당됨
주요 의무	일반적인 안전 관리	설치검사, 영업허가, 유해관리계획 등

암모니아수 10% 미만(예: 9%) 농도를 사용하면 화관법 규제는 피할 수 있지만, 탈질 성능을 내기 위해 투입해야 하는 액체의 양이 2~3배로 늘어남에 따라 효율성 측면에서 농도 20%이상의 암모니아수를 사용하며, 아울러 10% 미만의 저농도일 경우 액체의 부피가 커서 물류비 및 저장비용에도 크게 영향을 주므로 대부분의 산업 현장에서는 규제를 감수하더라도 20~25% 농도를 사용한다.

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이로 인해 암모니아수 10% 이상 사용 시 준수해야 할 법적 의무로는 다음과 같다. 화학사고예방관리계획서를 통해 취급 시설 설치 전 가스 누출 시 인근 주민과 환경에 미치는 영향을 평가받아야 하며, 저장 탱크 주변에 누출 확산을 방지하도록 dike를 설치하고, 24시간 가스 누출 감지 및 경보를 하도록 해야 하며 암모니아 가스 누출 시 가스를 흡수하기 위한 살수 장치인 water curtain (수막설비)를 설치해야 한다. 이 뿐만 아니라 유해화학물질 영업 허가를 취득해야 하며, 취급자는 정기적인 안전 교육을 이수해야 하고, 암모니아 전용 방독면, 내화학복 등 필수 보호 장구를 비치해야 한다.

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반면 요소수의 경우 농도에 관계없이 화관법상 유해화학물질에 해당하지 않아 (보통 32.5% 또는 40% 사용) 법적 규제에서 매우 자유롭다.

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화학물질안전원고시 제2025-26호, 제2조 별표1: 사고대비물질의 지정

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별표·서식 인쇄 _ 국가법령정보센터.pdf

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화학물질 안전원, 인체급성유해성물질, 인체만성유해성물질 및 생태유해성물질의지정고시 별표2

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별표-2-인체급성유해성¸-인체만성유해성¸-생태유해성-물질별-규정수량유해화학물질의-규정수량에-관한-규정.pdf

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산업안전보건법 시행령 별표13

 

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[별표 13] 유해ㆍ위험물질 규정량(제43조제1항 관련)(산업안전보건법 시행령) (1).pdf

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최근 환경부의 규제가 강화되면서, 신규 설비의 경우 화관법 이행 비용(인허가 컨설팅비, 방호 설비 공사비 등)을 고려하여 암모니아수 대신 요소수 방식을 선택하거나, 아예 농도를 9% 이하로 희석한 암모니아수를 사용하는 방안을 검토하기도 한다.

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하지만 9% 암모니아수는 공급업체를 찾기 어렵고 운영비가 비싸지므로, 시설 규모가 크지 않다면 요소수 시스템(SCR/SNCR)으로 가는 것이 행정적으로 바람직할 수 있다.

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탈질 시스템에서 두 환원제는 공정의 규모와 설비의 위치에 따라 선택이 명확히 갈린다. 환경부 가이드라인과 산업 현장의 사례를 바탕으로 주요 사용처를 정리하면 아래와 같다.

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요소수가 주로 사용되는 공정 (안전 및 관리 편의 중심)

요소수는 독성이 없고 취급이 간편하여 주거 밀집 지역이나 중소규모 시설에서 주로 선택할 수 있다.

• 도심 소각장 및 열병합 발전소: 인근에 민가가 많은 경우 암모니아 누출 사고 시 사회적 파장이 크기 때문에 안전한 요소수를 선호함.
• 중소형 산업용 보일러: 화관법에 따른 전담 인력 배치가 어려운 소규모 사업장에서 주로 사용함.
• 선박(Marine) SCR: 공간이 협소하고 흔들림이 많은 선박 특성상 저장과 취급이 안전한 요소수가 표준임.
• 이동 오염원: 경유차(디젤차)의 SCR 시스템은 100% 요소수를 사용함.

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암모니아수가 주로 사용되는 공정 (경제성 및 효율 중심)

암모니아수는 반응성이 뛰어나고 대량 구매 시 저렴하여 대규모 배출 시설에서 주로 선택함.

• 대형 화력 발전소: 하루 사용량이 막대하기 때문에 약품비 절감을 위해 암모니아수를 주로 사용하며, 이미 엄격한 안전 관리 체계(PSM 등)가 갖춰져 있어 규제 대응이 상대적으로 수월함.
• 시멘트 킬린(Kiln): 배기가스 양이 엄청나고 탈질 효율이 중요하여 반응성이 좋은 암모니아수를 선호하는 경향이 있음.
• 석유화학 단지: 이미 암모니아를 공정 원료로 사용하는 경우가 많아 저장 및 취급 인프라를 공유할 수 있는 사업장에서 사용함.

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실무적으로는 아래 3가지 측면을 종합하여 결정한다.

고려 요소	요소수 (Urea) 선택 시	암모니아수 (NH4OH) 선택 시
비용 측면	초기 투자비를 아끼고 싶을 때	장기 운영비(약품비)를 줄이고 싶을 때
안전 측면	사고 시 민형사상 책임을 최소화할 때	전문 안전관리 조직이 이미 갖춰져 있을 때
환경 측면	슬립(Ammonia Slip)이 발생해도 무해할 때	초미세먼지 원인 물질인 암모니아 배출을 정밀 제어할 때

최근에는 요소수를 사서 현장에서 암모니아로 바꿔 쓴다는 개념이 추세이며, 그 이유로는 저장할 때는 안전한 요소수 상태로 두어 화관법 규제를 피하고, 실제 SCR에 넣기 직전에만 열분해기로 암모니아 가스를 만들어 넣어 효율을 극대화하는 방식이며, 단점은 설비비가 비싸다는 점이지만, 대기업을 중심으로 채택 사례가 늘고 있다.

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Urea conversion은 commercially 6~3500lb/h의 암모니아를 생성할 수 있으며, 대부분이 발전소 배기가스의 질소산화물을 제거하기 위해 설치된다.

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특징으로는 촉매가 필요없고 요소수를 암모니아로 100% 전환이 되며 fuel gas가 필요없고 DCS integration이 가능하며 modular로 설치가 가능하고 load변화에 즉각적인 대응이 가능하고, 암모니아수에 비해 운전비가 낮고, 다수의 AIG user에 대해 hydrolyzer는 하나만 설치해도 운전에 문제가 없다.

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요소수 전환 시스템은 반응기 가열 매체로서 스팀 혹은 전기를 사용할 수 있다. 주요 시스템으로는 dry urea일 경우 dissolver와 열교환기 및 펌프가 필요하며, wet urea일 경우 저장탱크가 필요하다. 공통으로 feed pump와 hydrolyzer, blowdown tank, air heating system이 필요하다.

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참고로 Urea conversion system내에는 blowdown tank가 필요하며 이 공정에서 블로우다운 탱크(Blowdown Tank)는 비상시나 정비 시 시스템 내부의 고온·고압 유체(암모니아, 이산화탄소, 미반응 요소수 혼합물)를 안전하게 처리하기 위한 완충 및 상분리가 주 목적으로 상세 목적은 다음과 같다.

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과압 발생으로 인해 안전밸브(Safety Valve)가 작동하거나 긴급 방출(Blowdown)이 이루어질 때, 고압의 액체는 블로우다운 탱크로 들어오면서 압력이 급격히 떨어진다. 압력이 낮아지면서 액체 속에 있던 암모니아와 이산화탄소가 가스 형태로 분리되며, 이 가스는 탱크 상부의 벤트(Vent) 라인을 통해 세정탑(Scrubber) 등으로 보내 안전하게 처리된다. 미처 기화되지 못한 뜨거운 액체 (응축수 및 잔류 요소수)는 탱크 하부에 모아 외부 유출을 방지한다.

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hydrolyzer 내부의 유체는 매우 뜨꺼워, 이를 직접 배수구로 버리면 환경 문제를 일으킬 수 있다. 그래서 블로우다운 탱크 내부에 미리 차가운 물을 채워두거나, 방출 시 냉각수를 분사(Quenching)하여 유체의 온도를 안전한 수준으로 낮추는 역할을 하며, 가수분해된 액체에는 고농도의 암모니아가 포함되어 있어서 이를 대기 중에 그대로 방출하면 극심한 악취와 독성 문제가 발생한다. 블로우다운 탱크는 이 유체들을 일시적으로 가두어 두었다가, 가스는 세정 설비로 보내고 액체는 폐수 처리장으로 서서히 이송하는 버퍼(Buffer) 역할을 수행한다. 아울러 고압의 유체가 배관을 통해 갑자기 터져 나올 때 수격 작용(Water Hammer)에 의해 발생하는 충격력을 탱크가 흡수하여 후단 배관 시스템의 파손을 막아준다.

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하지만 만약 이 블로우다운 탱크가 없다면 과압 방출 시 뜨겁고 독성이 있는 암모니아/요소수 혼합물이 현장 바닥으로 분출되어 오염을 야기하고, 고농도의 암모니아 가스가 대기 중으로 확산되어 인명 피해 및 민원 발생의 원인이 되며, 고온·고압의 유체가 배수 계통으로 바로 유입되어 플라스틱 배관의 멜팅(Melting)이나 워터 해머 현상을 유발할 수 있다.

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블로우다운 탱크는 보통 내부식성 재질(Stainless Steel 316L 등)로 제작되며, 내부에 수위 계측기와 냉각수 공급 라인이 함께 구성되는 것이 일반적이다.

 

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