Когда мы слышим слова «природный газ», чаще всего представляем синее пламя на плите, отопление дома или турбину электростанции. В быту газ действительно выглядит именно так. Но на этом его роль не заканчивается. Природный газ давно стал не только топливом, но и одним из главных видов сырья для химической промышленности.
Что на самом деле скрывается в природном газе
Природный газ из скважины — это не чистый метан, а смесь. В ней есть метан, этан, пропан, бутан, пентаны, вода, углекислый газ, сероводород, азот, а иногда и гелий. Обычно метан составляет 70–90% этой смеси.
Перед подачей в газовую сеть сырьё очищают и разделяют. Метан в основном идёт на отопление и выработку электроэнергии. Этан, пропан и бутан выделяют отдельно. Эти вещества называют жидкими компонентами природного газа — NGL. Именно они становятся важным сырьём для химии. На крупных газоперерабатывающих заводах сначала удаляют воду и сернистые соединения, а затем по отдельности выделяют этан, пропан и бутан. После этого каждая фракция идёт в своё производство.
Удобрения: как газ помогает выращивать еду
Одна из самых важных и недооценённых ролей природного газа — производство удобрений. Около 70–80% мирового аммиака, который лежит в основе азотных удобрений, получают именно из природного газа. Схема проста. Из газа получают водород, из воздуха — азот. Затем их соединяют при высокой температуре и давлении. Так работает процесс Габера—Боша, разработанный в 1909–1913 годах. Из аммиака потом делают мочевину, аммиачную селитру и другие азотные удобрения.
Этот процесс резко изменил сельское хозяйство. До него удобрения в больших объёмах получали из чилийской селитры и навоза. После его внедрения производство стало промышленным. Фриц Габер и Карл Бош получили за свои работы Нобелевские премии. Сегодня крупные заводы по выпуску аммиака работают в России, США, Китае и Саудовской Аравии.
Проще говоря, природный газ помогает выращивать хлеб, овощи и куку
рузу. Современное земледелие без газового аммиака уже трудно представить.
Водород из газа: не будущее, а старая промышленная база
О водороде часто говорят как о топливе будущего. Но в промышленности его используют уже больше века. И основную часть водорода до сих пор получают именно из природного газа. В США, например, речь идёт примерно о 95% производства. Главный метод — паровой риформинг. При температуре 700–1000°C природный газ смешивают с паром и получают водород.
Больше всего этот водород нужен для производства аммиака, а значит, снова работает на выпуск удобрений. Но этим дело не ограничивается. На нефтеперерабатывающих заводах водород используют для очистки топлива от серы. Без него бензин и дизель были бы намного грязнее.
Кроме того, водород нужен при производстве метанола, ряда спиртов и в пищевой промышленности, где с его помощью гидрогенизируют растительные масла.
Метанол: основа для десятков химических продуктов
Ещё один важный продукт из природного газа — метанол, или древесный спирт. Его роль в промышленности огромна. В мире ежегодно производят около 110 миллионов тонн метанола, и значительная часть этого объёма начинается именно с газа.
Сначала природный газ превращают в синтез-газ — смесь водорода и угарного газа. Затем из этой смеси синтезируют метанол. Промышленную технологию в 1920-х годах отладила немецкая компания BASF.
Из метанола получают:
- формальдегид — для смол, клеёв, фанеры, ДСП и дезинфицирующих средств;
- уксусную кислоту — для пищевой и химической промышленности;
- метил-трет-бутиловый эфир — добавку к бензину;
- олефины по технологии MTO (methanol-to-olefins), то есть этилен и пропилен без опоры на нефть.
Особенно заметно эта схема развилась в Китае, где построены десятки предприятий, превращающих метанол в сырьё для пластиков. В 2010-х годах технология MTO стала важным поворотом для химической отрасли. Поэтому метанол из газа — это один из мостов к упаковке, пластикам и синтетическим волокнам.
Пластики и упаковка: как газ превращается в повседневные вещи
Для многих это самый неожиданный факт: пакеты, пластиковые бутылки, пищевая плёнка и контейнеры часто начинаются не только с нефти, но и с природного газа.
Ключевую роль здесь играет этан. Его выделяют из природного газа и отправляют на крекинг-установки. При температуре около 850°C этан распадается, и из него получают этилен.
Этилен — основа полиэтилена, самого распространённого пластика в мире. Из него делают:
- полиэтилен низкой плотности — пакеты и плёнку;
- полиэтилен высокой плотности — канистры, бутылки для шампуня, трубы;
- сырьё для дальнейших цепочек, ведущих к ПЭТ и полиэстеру — бутылкам для воды и синтетическим волокнам.
После сланцевой революции в США в 2010-х годах дешёвый газ резко подтолкнул это направление. В стране появились новые мощности по переработке этана. Во многом именно поэтому природный газ стал одной из опор современной упаковочной индустрии.
Пропан, бутан и синтетический каучук
Пропан и бутан — это не только топливо в баллонах. Они тоже идут в химическую переработку. Из пропана получают пропилен — например, через дегидрирование. Пропилен нужен для производства полипропилена. А из полипропилена делают контейнеры, автомобильные бамперы, медицинские шприцы, верёвки, ковры и детали бытовой техники.
Бутан может превращаться в бутадиен. А бутадиен — один из ключевых компонентов синтетического каучука. Именно он нужен для выпуска автомобильных шин вместе с другими веществами, в том числе со стиролом.
Это особенно хорошо видно на историческом примере. Во время Второй мировой войны Германия, потеряв доступ к натуральному каучуку, развивала производство синтетической резины сначала из угля, а позже и из газового сырья. Сегодня крупные мощности по бутадиену работают в США, Европе и Азии. Поэтому природный газ давно стал частью шинной промышленности.
Бытовая химия, краски, клеи и синтетическая одежда
На этилене, пропилене и других олефинах цепочка не заканчивается. Из них получают ещё сотни веществ, которые потом попадают в бытовую химию, строительство, текстиль и медицину.
Среди них:
- спирты — для растворителей, моющих средств и антифризов;
- этиленгликоль — для антифриза и производства полиэстера;
- лаурилсульфат натрия — пенообразователь в шампунях, зубной пасте и гелях для душа;
- синтетические волокна — нейлон, полиэстер, акрил.
Хороший пример — нейлон, который компания DuPont создала в 1935 году. Сегодня для него используют разные химические цепочки, и природный газ может быть началом одной из них. То же касается полиэстера: значительная часть сырья для футболок, утеплителей, подушек и пластиковых бутылок в США и Китае связана с переработкой газовых компонентов.
Гелий: редкий ресурс из природного газа
Есть и ещё один важный продукт, который редко связывают с природным газом, — гелий. Его не синтезируют из газа химически. Его извлекают как примесь из некоторых природных месторождений.
Гелий образуется в земной коре при распаде радиоактивных элементов и затем скапливается вместе с природным газом. Самые известные богатые гелием районы находятся в США — в Техасе, Канзасе и Оклахоме, а также в России, Катаре и Алжире.
Гелий нужен для нескольких важных задач:
- охлаждение магнитов в МРТ-аппаратах;
- производство оптического волокна;
- сварка в аэрокосмической промышленности;
- надувные шары, хотя это лишь небольшая часть общего потребления.
Показательный эпизод — создание в 1920-х годах американского Стратегического гелиевого резерва в Амарилло, Техас. Тогда гелий считался важным ресурсом для дирижаблей. Сегодня его значение ещё выше: без гелия не обходятся медицина и высокотехнологичное производство.
Как это меняет взгляд на природный газ
Главный вывод простой: природный газ слишком ценен, чтобы видеть в нём только топливо. Это многослойный ресурс. И даже если через 20–30 лет его роль в энергетике начнёт сокращаться из-за развития возобновляемых источников, в химии он, вероятно, ещё долго останется крайне важным. Потому что без него трудно представить удобрения, пластики, синтетические материалы и целый набор вещей, на которых держится повседневная жизнь.