천준우: 중국의 석유 정제 촉매 분해 기술이 시작된 이야기

1단계: 자체 연구 개발의 시작과 해외 기술 조사
1960년대 초, 구소련의 도움으로 건설된 란저우 정유공장에서 사용된 촉매분해 기술은 이동식 침상 촉매분해 방식이었습니다. 당시 촉매는 여전히 비정형 실리콘-알루미늄 구형 입자였습니다. 반면 서방 국가들은 이미 유동층 촉매분해 기술을 보유하고 있었으며, 그곳에서 사용되는 촉매는 미세한 구형 분자체 형태였습니다. 따라서 경질유의 수율과 선택성 면에서 서방 국가들의 기술이 소련보다 훨씬 우수했습니다. 우리는 소련의 기술이 서방 기술보다 20년 뒤처져 있으며, 이는 미국의 40년대 수준에 해당한다는 것을 알아냈습니다.당시 소련도 더 발전된 기술을 내놓을 수 없었으며, 그들의 기술은 아직 미국의 1940년대 수준을 벗어나지 못했습니다.그래서 1960년대의 세계적인 선진 기술을 어떻게 따라잡을 것인가는, 당시 국내 석유 정제 산업이 직면했던 큰 문제였습니다. 당시 해외의 일반적인 기술은 당신에게 팔 수 있었지만, 전략적인 첨단 기술은 절대 우리에게 팔지 않았습니다.미국이 중국에 기술 봉쇄를 가했기 때문에, 중국은 자체적으로 개발할 수밖에 없었으며 스스로 탐구하고 혁신해 나갈 수밖에 없었습니다. 이것이 바로 1961년 12월 베이징에서 석유부가 개최한 정제 신기술 개발을 위한 과학기술 회의의 취지였습니다. 하지만 우리가 란저우 정유공장에서 진행한 몇 가지 실험은 모두 성공하지 못했으며, 촉매의 손실이 너무 컸습니다. 그래서 선진적인 촉매 분해 기술을 보기 위해 해외로 나가고 싶어 합니다.마침 1961년 말, 우리 석유부의 몇몇 전문가들이 초청을 받아 쿠바를 방문하여 시찰을 했습니다. 석유부 지도자들은 쿠바에 있는 두 개의 정유공장을 시찰했는데, 하나는 미국이 건설한 공장이고, 다른 하나는 영국이 건설한 공장이었습니다.그중에는 당시 가장 첨단적인 유동촉매분해 장치가 있었는데, 이 기술은 석유부의 향산 회의에서 개발해야 할 신기술로 지정된 것이며, 저는 그 장치의 설계자로 임명되었습니다. 석유부의 지도자들은 쿠바를 방문해 조사하는 것이 천재일우의 기회라고 생각했다.쿠바의 정유소에서 고위직 인력들은 모두 외국인이었으며, 쿠바 혁명이 성공한 후 이들 대부분은 떠났습니다.쿠바 측은 아주 관대하게 많은 자료를 제공해 주었지만, 그 자료들을 어떻게 활용할 것인가요? 자료만으로는 문제를 해결할 수 없습니다. 그 자료들을 자신이 이해할 수 있는 기술로 바꾸기 위해서는 상당한 노력이 필요합니다.석유부 지도부는 다시 5명의 서로 다른 전문 분야의 기술자들을 쿠바에 파견하여 현지 조사를 진행하기로 결심했습니다. 저는 공정 전공자이며, 국내 부송 공장의 설계자입니다. 저는 국내에서의 공정 설계와 해외 조사를 병행하는 중요한 임무를 맡고 있습니다. 나머지 동료들은 설비, 기계, 계측 등 다양한 전문 분야 출신입니다. 쿠바에서 얻은 방대한 유동촉매분해 관련 자료는 유동촉매분해 기술적 문제를 해결할 뿐만 아니라, 석유 정제 공정의 다른 관련 기술들에도 적용될 수 있다.우리 조사팀은 촉매 분해 기술을 중심으로 하면서, 동시에 정압/감압 및 촉매 개질 분야의 기술 자료도 함께 살펴보았습니다. 6개월이라는 시간 동안, 우리는 가능한 한 그 자료들을 복사하거나 문서로 정리했습니다. 당시 핵심적인 문제는 공정과 장비에 관한 문제들을 명확히 하는 것이었으며, 이를 통해 국내의 엔지니어링 설계와 장비 제작을 지도할 수 있도록 하는 것이었습니다. 다행히 쿠바에 간 우리 팀원들도 적극적으로 나서서 봐야 할 것은 모두 살펴보고, 기억해 둘 것은 모두 기록해 두었습니다.그래서 돌아온 후에 중국의 촉매 분해 기술을 아무것도 없는 상태에서, 처음부터 만들어냈습니다.1962년 9월부터 1963년 2월까지, 그리고 1964년 9월부터 1965년 2월까지, 약 2년 반에 걸쳐 우리는 이 기술의 핵심을 완전히 익혔습니다. 많은 측면에서 단순히 그 원리를 아는 것뿐만 아니라, 그 이유까지도 이해할 수 있게 되었습니다.

제2단계: “고양이를 본떠 그리기”에서 “호랑이를 본떠 그리기”로. 무순과 대경에 건설된 연간 60만 톤 규모의 유동촉매분해 설비는 “고양이를 본떠 그린” 것에 해당합니다. 그 후 석유공업부는 산동성의 승리 정유공장에 그 규모를 두 배로 늘린 연간 120만 톤 규모의 유동촉매분해 설비를 건설하기로 결정했습니다. 이것이 바로 “호랑이를 본떠 그린” 것입니다.이 장치는 베이징 디자인원이 구체적인 설계를 담당했으며, 저는 기술 지도를 맡았습니다. 모방하는 과정에서 문제가 생겼는데, 그 문제의 주된 원인은 우리의 기술 수준이 부족하기 때문입니다.그대로 복사해도 되지만, 규모를 두 배로 키우고 장치의 처리 능력도 두 배로 높이면 문제가 생깁니다. 게다가 당시 리더들도 일정한 혁신을 요구했기 때문에, 이러한 조건들 때문에 우리가 설계한 것에 약간의 문제가 생겼습니다. 1967년 말, 연간 120만 톤 규모의 유동촉매분해 설비의 가동 테스트가 비교적 순조롭게 진행되었지만, 촉매의 일일 소모량이 약 30톤에 달하면서 설비는 가동을 중단할 수밖에 없었습니다.하루에 30톤의 촉매가 손실된다면 분명 견딜 수 없을 것입니다. 당시 국내에서는 이러한 촉매에 대한 연구가 진행되고 있었으며(이 역시 “5대 황금 식물” 개발 프로젝트의 일환이었습니다), 하지만 아직 산업적으로 생산될 수는 없었습니다. 국내에서 사용되는 촉매는 모두 영국에서 수입된 3A 형태의 미세구형 분자체 촉매였으며, 그 가격도 매우 비쌌습니다.이를 위해서는 반드시 유동화의 기초 이론을 잘 연구하여, 산업 설비에서 촉매가 손실되는 원인을 찾아내야 합니다. 하지만 이것은 어떤 연구소의 실험실에서도 할 수 있는 것이 아니라, 반드시 대형 산업 설비에서 실제로 테스트를 해야 합니다.열상태에서 작동하는 산업 장치의 리젠러 직경은 약 9미터로, 실험실에서 그렇게 쉽게 반복할 수 없어 테스트 및 연구 계획을 철저히 수립해야 합니다. 저는 특별조사팀의 팀장으로 임명되어, 조사팀을 이끌고 여러 차례 부송과 대경 현장을 오가며, 대경 공장에서 정상적으로 운영되고 있는 유동층화 관련 데이터와 연간 120만 톤 규모의 촉매분해 설비의 재생기 설계에 사용된 촉매의 밀도 및 분포에 관한 데이터를 분석했습니다. 그 결과, 유동층 내의 기류 분포가 불균일한 것이 승리정유공장에서 촉매가 손실되는 주요 원인임이 확인되었습니다. 산업 설비에서 드러난 문제들은 우리로 하여금 유동촉매분해 메커니즘을 이론적으로 더 깊이 연구하도록 촉진했습니다. 처음에는 연간 60만 톤 규모의 설비를 대상으로 조사와 테스트를 진행했으며, 그 후에는 연간 120만 톤 규모의 대형 설비에서 부분적인 테스트를 실시한 다음 전면적인 테스트를 거쳤습니다. 이러한 과정을 여러 번 반복한 끝에 몇 가지 규칙들이 도출되었고, 이것들이 바로 훗날 유동촉매분해 설비의 테스트 규칙 및 설계 기준이 되었습니다.테스트란, 원래 잘 알지 못했던 규칙과 데이터를 파악하는 것이며, 새로운 테스트를 통해 계속해서 새로운 데이터를 얻고, 이를 정리함으로써 더욱 발전시키는 과정입니다.테스트는 그렇게 간단하지 않습니다. 대형 반응기나 재생기의 직경이 10배로 커지면, 그 안에 있는 문제점들을 깊이 있게 이해하는 것도 쉽지 않습니다. 이론적 분석뿐만 아니라, 유동화 테스트 기술도 함께 활용해야 합니다. 그 후 우리의 정유공장의 처리 규모가 점점 커지면서, 연간 60만 톤 규모의 유동촉매분해 설비는 너무 작다고 판단되어, 연간 120만 톤 규모로 확대해야 했습니다.규모가 커지면 유동화 측면에서 필연적으로 많은 문제들이 발생하게 되는데, 이는 이론적 분석과 테스트를 통한 진단을 결합한 방법으로 해결됩니다. 우리가 일련의 테스트 및 진단 방법을 도출해낸 이후, 산업 설비의 운영 수준과 설계 수준은 크게 향상되었으며, 유동촉매분해 설비의 설계 규모도 더욱 발전했습니다. 1962년에 시작된 해외의 연간 60만 톤 규모의 촉매분해 기술 도입은 “고양이를 보고 그대로 모방하는” 방식이었으며, 1965년에 가동을 시작했습니다. 반면, 연간 120만 톤 규모의 촉매분해 기술은 “호랑이를 보고 그대로 모방하는” 방식이었으며, 1968년에 가동을 시작했습니다. 초기에는 몇 가지 문제가 있었지만 계속해서 개선되어 1969년에는 거의 성공적으로 운영될 수 있었습니다. 즉, “호랑이를 보고 그대로 모방하는” 방식도 성공적이었다는 것입니다.

3단계: 설계원에서 석유 정제 실험 공장 건설하기. 1972년, 연료화학공업부는 석유 정제 기술의 새로운 공정, 신소재, 신장비를 체계적으로 개발하기 위해 루오양 설계연구원에 석유 정제 실험 공장을 건설하는 것을 승인했습니다.1975년에 실험 공장이 완공된 후, 다양한 촉매 분해 관련 실험이 진행되었으며, 엔지니어링 설계와 기술 개발이 긴밀하게 결합된 새로운 기술 혁신 모델이 만들어졌습니다. 1970년대 이전에는 해외의 촉매 분해 원료에 슬래그 오일이 혼합되지 않았습니다. 우리는 중국 다칭 원유에 포함된 촉매에 해로운 니켈과 바나듐의 함량이 매우 적다는 점을 고려하여, 실험 공장에서 다칭의 상압 슬래그 오일을 혼합한 촉매 분해 실험을 진행했습니다. 그 결과, 열을 공급할 필요 없이도 안정적인 생산이 가능했습니다.동시에 석유화학과학연구원도 무단장 정유공장에서 실험에 성공함으로써, 이제부터 촉매분해 과정에 슬래그 오일을 혼합하는 것에 대한 금지 규정이 사라지게 되었습니다. 1983년, 중국석화그룹의 전신인 중국석화총공사가 설립되었습니다.우리나라의 정유 기술을 세계적인 수준으로 끌어올리기 위해, 정유 기술 개발 프로젝트를 추진하기로 했습니다. 저와 민은택 원사는 각각 **“65” 계획의 일환으로 진행되는 촉매 분해 관련 연구 프로젝트의 책임자와 부책임자를 맡았습니다. 목표는 대경 지역에서 생산되는 상압 슬래그 오일을 처리할 수 있는 새로운 촉매 분해 공정과 새로운 형태의 촉매를 개발하는 것입니다. 저는 연구 과제를 9개의 하위 과제로 나누었으며, 재생기 침상에서의 열 흡수 방식을 내부 코일을 통한 열 흡수와 외부 열 흡수기를 통한 열 흡수로 구분했습니다. 여기서 외부 열 흡수기는 다시 “상류식”과 “하류식”으로 세분됩니다.외부 열수급기 구조 설계에 있어서, 저는 종방향 펜넬 튜브를 활용한 고효율 열수급 방안을 제안하여 열전달 효율을 높이고 열수급기 구조를 더욱 컴팩트하게 만들었습니다.동시에 과거에는 이루어지지 않았던 응용 기초 연구도 진행되었는데, 예를 들어 석유대학교에는 소결 동역학 연구를, 중국과학원 공정공학연구소에는 유동화 관련 연구를 맡겼습니다. 1985년, 대경의 상압 슬래그 오일 촉매 분해 프로젝트가 석가장 정유공장에서 성공적으로 완료되었습니다.이러한 연구 성과 덕분에 중국은 가연탄화수소 촉매 분해 처리 분야에서 세계적인 선도 국가가 되었습니다. 해외의 촉매분해 설비에서는 반응기와 재생기가 동일한 높이로 나란히 배치되는 형태, 서로 다른 높이로 나란히 배치되는 형태, 그리고 동축형 등 다양한 배치 방식이 사용되어 왔습니다. 반면, 중국에서는 과거에 건설된 촉매분해 설비들은 모두 동일한 높이로 나란히 배치되는 형태였습니다. 저는 회사의 조련승 부총공학사의 제안을 받아들여, 회사의 루오양 실험공장에서 면적이 적고 운영이 유연한 동축형 촉매분해 설비를 개발했습니다. 특히 밸브, 공정 제어, 그리고 2단계 재생과 관련된 기술적 난제들을 극복했습니다. 그 결과, 연간 5만 톤 규모의 동축형 촉매분해 설비가 가동되었습니다. 중국석유화학공업그룹의 전문가들의 평가를 거쳐, 천다오이 동지가 설계팀을 이끌고 란저우에 연간 50만 톤 규모의 동축형 촉매분해 설비를 건설했습니다. 이 설비는 1984년과 1985년에 각각 **디자인 금상**과 **과학기술 진보 1등상**을 수상했습니다. 1988년, 상하이 가오치아오 석화 정유공장의 주러인이 총공정사가 저에게, 가오치아오에 새로 건설될 연간 100만 톤 규모의 촉매분해 설비는 동축식 구조로서의 컴팩트함을 갖추어야 할 뿐만 아니라, 타버린 원료를 효율적으로 재활용할 수 있는 기능도 필요하다고 요청했습니다.우리는 이러한 과제를 받아들여, 소각탑 상부에 대형 구멍이 뚫린 분배판을 설치하고, 그 분배판 위에 고속 난류층을 형성하는 새로운 방안을 제시했습니다. 또한 회사의 장비 연구소에서 유동화 효과를 검증한 후, 고바시 석유화학 회사의 정유 공장에서 성공적으로 도입되었습니다. 현재 우리는 기업의 공정 흐름에 맞춰, 연간 5만~10만 톤부터 350만~400만 톤에 이르는 다양한 규모의 유동촉매분해 장치를 유연하게 설계할 수 있습니다.촉매 분해 공정의 설계는 이제 “모방하는 수준”에서 “독창적이고 효율적인 수준”으로 발전했습니다.당시 무순의 촉매 분해 장치가 성공적으로 개발된 것은 마치 홀로 피는 꽃과 같았다면, 이제는 온 곳이 아름다운 꽃밭이 되었습니다.저는 중국의 유동촉매분해 공정 기술 개발자 중 한 명으로서, 중국의 석유 정제 기술이 발전하고 성장하는 모습을 직접 목격하며 큰 자부심을 느낍니다.

학*천준무, 석화산업 발전에 기여하다.

촉매 분해에 관한 정보를 원하시면 위챗으로 liyubo0818에 연락해 주세요. 그러면 향후 촉매 분해에 대한 정보를 더 쉽게 공유할 수 있습니다. 감사합니다