Executive Summary
- Ammonium nitrate (AN) plays a dual role globally — as one of the most widely used nitrogen fertilizers and as the primary component of mining and construction explosives, with the market projected to grow at a CAGR of at least 4% over the next five years.
- The 2020 Port of Beirut explosion, which killed at least 218 people and caused over $6.7 billion in economic damage, originated from approximately 2,750 tons of improperly stored ammonium nitrate ignited by an adjacent fire.
- Most ammonium nitrate accidents occur during storage (44%) and transportation (38%) rather than manufacturing (18%), underscoring that handling practices — not production processes — drive the majority of catastrophic events.
- While additives, coatings, and alternative fertilizers such as anhydrous ammonia, urea, and calcium ammonium nitrate have been investigated to reduce risks, no alternative yet matches AN's combination of high nitrogen content, low cost, and stability, leaving rigorous handling and storage as the most effective near-term safeguard.
硝酸铵 (AN) 是一种应用广泛的化合物，具有多种重要用途。 作为肥料，它能够确保农业产出，供养全球数十亿人。 它也是多类矿用炸药的主要成分，在此类炸药中，硝酸铵与燃料油混合，然后通过炸药包引爆。 全球农业活动日益增多，各行业对硝酸铵燃料油 (ANFO) 的需求也不断增加，这意味着在未来 5 年，硝酸铵市场预计将以至少 4% 的复合年增长率 (CAGR) 增长。 然而，硝酸铵的潜在爆炸性（以及滥用可能性）意味着其制造商、销售商和使用者需要正视安全警告，否则将面临灾难风险。
如何在继续利用这种多用途化合物的好处的同时，最大限度减少使用时的相关风险？ 本文将讨论从 2020 年贝鲁特灾难性硝酸铵爆炸事件中得到的关键教训，以及如何防止未来发生爆炸。
硝酸铵市场呈上升趋势
硝酸铵市场呈上升趋势，最新报告估计，到 2026年，硝酸铵市场规模将达到 240 亿美元。 其市场价值的上升是不断增长的人口所带来的结果，因为这意味着对食品供应和房地产的需求也将不断增加。 而硝酸铵对这两大行业来说都是宝贵的资源。
由于氮是该化合物两个部分（NH4（铵）和 NO3（硝酸盐））的关键成分，因此硝酸铵是一种普遍应用的肥料。 植物不仅可以直接从该化合物的硝酸盐部分获取氮，土壤微生物还可以逐渐将铵部分转化为硝酸盐。 这些特性使硝酸铵成为蔬菜种植者的热门选择，他们更喜欢将容易获得的硝酸盐作为植物营养的来源。 畜牧业者将硝酸铵用于给牧场和干草施肥，而不愿使用尿素基肥料，因为尿素基肥料在被植物利用之前会从土壤中挥发。 硝酸铵还具有较高可溶性，因此非常适合用于灌溉系统。
硝酸铵的另一大主要用途是作为采矿、采石和民用建筑应用所需爆炸混合物的组成成分。 作为 ANFO 的一部分，硝酸铵占北美用炸药的 80%。 不幸的是，由于 ANFO 的成分相对容易获得，有可能滥用于制作简易爆炸装置。 这突出了适当控制该硝酸铵形态以减少其潜在危害的重要性。
贝鲁特灾难的严重后果
2020 年 8 月 4 日，黎巴嫩首都贝鲁特发生灾难性爆炸，造成至少 218 人死亡，6000 多人受伤。 此次爆炸的主要原因是储存在贝鲁特港一个仓库里的约 2750 吨硝酸铵。 这批大量的硝酸铵是从 2014 年扣押的一艘废弃船只上查获的。 储存的肥料被邻近仓库火灾的火花点燃，从而发生爆炸，造成了巨大的财产损失，约 30 万人无家可归。 两年后，这场爆炸继续影响着贝鲁特，其相邻粮仓在 2022 年 7 月和 8 月接连倒塌。
除人员损失外，此次爆炸造成的经济损失据信超过 67 亿美元。 这场爆炸烧毁了黎巴嫩 90% 的粮食储备，使这个面临严峻经济挑战的国家，本就岌岌可危的粮食安全形势雪上加霜。 尽管缺乏相关数据，但环境肯定也受到了此次严重爆炸事故的影响。 硝酸铵爆炸时，将释放氮氧化物、氨、一氧化碳等有害气体到环境中，造成化学污染，进而对当地人民造成损害。 这一环境污染还会对生态系统造成破坏，随着硝酸盐分解产物转移到海洋中，两栖动物和水生生物将首当其冲，面临硝酸盐中毒的风险。
专家对贝鲁特爆炸事故进行了分析，并将其与其他类似的硝酸铵灾难进行了比较。 与其他几次毁灭性爆炸事故一样，此次爆炸的根本原因被认为是火势不受控制。 而在一个地方储存如此大量的硝酸铵又加重了此次爆炸的影响，储存地点的城市性质更是增加了此次爆炸造成的伤亡人数。 基于这些分析提出了以下建议：成立一个化学品监管机构，在黎巴嫩全国范围内控制化学品安全，并改进未来事件紧急响应规划。
硝酸铵的爆炸性
大多数硝酸铵爆炸都发生在运输或储存过程中（图 1），但是为了充分了解爆炸的风险因素，了解硝酸铵的化学性质和制取过程至关重要。
工业上制取硝酸铵是由氨和硝酸在水中发生反应，然后小心地将水蒸发，最终生成固体物质：
NH3 + HNO3 → NH4NO3
人们通常用大气中的氮来制备氨，将氨在高温下氧化得到硝酸。 因此在制备氨的地方生产硝酸铵最为方便。 硝酸铵的形成会释放出大量的热，因此需要在水溶液中制备硝酸铵，以便更好地散热。 随后的蒸发过程已成为几次爆炸的根源。 与制造过程有关的其他爆炸根源包括夹杂杂质，这会降低硝酸铵的稳定性。 如未进行适当的温度控制，硝酸铵还有可能吸水或改变晶体形态，进而结块，不适合使用。
尽管科研人员对硝酸铵反应进行了数十年的研究，但其确切的分解和爆炸机制尚不明确。 这一难题部分是由于该反应的化学复杂性，但也有不同的环境条件和潜在的污染物的原因。 假设以下反应为主要爆炸反应：
2NH4NO3 → 2N2 + O2 + 4H2O
硝酸铵的爆炸性如此之强的一个原因是在一个分子中既含有铵离子形式的燃料，又含有强产氧剂硝酸盐。 发生分解时，产生的热量将引发爆炸，而由于氧气源已经存在，燃烧会迅速加速。 其结果是产生氮氧化物、氧气、水以及大量的热量和动能。 这些产物的总体积比硝酸铵的初始体积大 1000 倍，导致周围地区也遭到灾难性的爆炸破坏。
目前已经测试了多种硝酸铵工艺、添加剂和替代品，以最大限度减少意外爆炸和一般滥用的危险（表 1）。 尽管如此，当前尚无完美的解决方案，需要展开更多研究以开发安全且价格实惠的替代品。 CAS 发布的一份洞察报告探讨了从硝酸铵爆炸中吸取的教训，强调“仅仅制造出不会意外爆炸的肥料是不够的；制造不容易爆炸的肥料也很重要。”
表 1. 硝酸铵的替代氮肥列表
我们还考虑了替代氮肥（表 1）。然而，含氮量最高的替代品在室温下是一种有毒气体，无法使用。 将氮素含量较高的肥料与其他大量营养素混合，可得到有效肥料，同时降低爆炸风险。
硝酸铵的谨慎处理
有些国家当前已针对硝酸铵的安全处理和储存制定了许多严格的法规和要求。 美国的相关主要法规由美国职业健康与安全管理局 (OSHA) 于 2001 年发布，其他指南请参阅 OSHA 与美国环境保护署 (EPA) 以及美国烟酒枪炮及爆裂物管理局 (ATF) 于 2015 年合作发布的咨询文件。 所发布的这一咨询文件是政府为改善硝酸铵风险管理和安全性以及帮助保护环境而发起的一项持续行动的一部分。
CAS 关于硝酸铵安全性的洞察报告强调，其安全存储需要仔细考虑几个变量（图 2）。 OSHA 法规规定，其存储区域需要充分通风，该措施是防止有毒气体和高温气体积聚和聚集的关键。 法规中提到的其他关键安全因素包括：储存区域使用不可燃材料，保持温度低于 130°F，将一定量的硝酸铵限制储存在一个地方，并确保采取适当的消防措施。
法规和指导方针对于控制固体硝酸铵这样的危险物质至关重要，但只有严格遵循，才能提高安全性。 提高对硝酸铵的危险性以及遵守现有指导方针重要性的认识，将有助于预防或至少大大减少未来的灾难性事件。
硝酸铵非常有用且具有重要经济意义，在全球农业以及其他行业均有广泛应用。 然而，上个世纪发生的几起毁灭性爆炸凸显了与其制造和储存有关的危险。 为了改善这种危险的状况，公众能够意识到硝酸铵的危险，并在寻求合适替代品的同时坚决落实安全措施至关重要。
如要了解更多信息，请下载我们的洞察报告：“硝酸铵爆炸：经验教训”。
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