Azotan amonu, będący głównym składnikiem nawozów saletrzanych, jest najbardziej efektywnym plonotwórczo związkiem azotu wykorzystywanym do nawożenia roślin uprawnych. Jest wykorzystywany w różnych kompozycjach jako  podstawowy składnik nawozów mineralnych, zarówno stałych, jak i płynnych. Przy jego umiejętnym stosowaniu uzyskuje się relatywnie wysokie i dobrej jakości plony przy stosunkowo niewielkiej uciążliwości dla środowiska.

Po raz pierwszy został wytworzony w roku 1659, a na skalę masową – od początku XX wieku. Przeważająca część azotanu amonu jest wytwarzana w wyniku bezpośredniej reakcji amoniaku z kwasem azotowym a produkty z jego zawartością, przeznaczone do celów rolniczych mają z reguły postać granulowaną i zawierają zwykle dodatki wzbogacające skład o inne składniki pokarmowe oraz nadające produktom pożądane własności użytkowe [1, 2].

Z uwagi na skłonność azotanu amonu do wybuchowego rozkładu wytwarzaniu, obrotowi i przechowywaniu produktów na jego bazie, towarzyszy zagrożenie bezpieczeństwa zależne od ich składu chemicznego, rodzaju stosowanej technologii wytwarzania lub warunków ich przechowywania i postaci fizycznej. W niniejszej pracy omówione zostały sposoby zapewnienia bezpieczeństwa wytwarzania tylko stałych nawozów saletrzanych, stosowane w praktyce przemysłowej od uruchomienia ich produkcji do chwili obecnej.

Rozkład azotanu amonu

W historii przemysłu wytwarzania produktów na bazie azotanu amonu wydarzyło się wiele wypadków i katastrof spowodowanych rozkładem azotanu amonu. Ich przyczyny wszechstronnie badano, a wnioski z tych badań wykorzystywano do udoskonalania technologii wytwarzania nawozów saletrzanych, wprowadzając nowe rozwiązania technologiczne i modyfikując składy produktów. Mimo takich działań, w dalszym ciągu dochodzi do sytuacji niebezpiecznych w przemyśle wytwórczym nawozów i podczas obrotu nawozami saletrzanymi [3, 4].

Analizując przyczyny zagrożenia bezpieczeństwa podczas wytwarzania nawozów saletrzanych, należy zwrócić uwagę na to, że azotan amonu może ulegać rozkładowi do różnych produktów i z wydzielaniem różnych ilości ciepła, a nawet z jego pochłanianiem. 

Wzrost zawartości azotanu amonu w danej mieszaninie i wzrost jej temperatury oraz obniżenie pH przyspieszają rozkład azotanu amonu. Ograniczenie wymiany masy zwiększa ilość wydzielanego ciepła, a równoczesne działanie podwyższonej temperatury i podwyższonego ciśnienia przyspiesza rozkład pozostałej części azotanu amonu i może doprowadzić do awarii czy nawet do wybuchu.

Na przebieg procesu rozkładu azotanu amonu wywierają także wpływ zanieczyszczenia zawarte w surowcach, ewentualne produkty korozji aparatury oraz dodatki stosowane w celu wzbogacenia składu produkowanych nawozów i poprawy ich własności użytkowych, a także dodatki zastosowane w celu poprawy bezpieczeństwa wytwarzania i przechowywania nawozów.

Okres międzywojenny – granulacja mechaniczna

Począwszy od lat 20. ubiegłego wieku, procesy wytwarzania nawozów saletrzanych na skalę przemysłową ulegały istotnym zmianom. Pierwsze rozwiązania z tego zakresu polegały na prowadzeniu procesu syntezy azotanu amonu w reaktorach z chłodzeniem. Odbiór ciepła reakcji zapewniał bezpieczną produkcję roztworu NH4NO3, gdyż uniemożliwiał przebieg jego rozkładu oraz reakcji NH4NO3 z zanieczyszczeniami.

Do uzyskania produktu krystalicznego, z którego wytwarzano produkty końcowe, konieczne było użycie dużych ilości ciepła w postaci pary. Do takich rozwiązań należy zaliczyć rozwiązanie polskich inżynierów pod kierownictwem Kalaousa stosowane w okresie międzywojennym w Chorzowie i w Tarnowie. W tym przypadku można mówić o szczególnie ostrożnym podejściu do zagadnienia bezpieczeństwa procesowego, co było w dużym stopniu uzasadnione niską jakością surowców (amoniak uzyskiwany z azotniaku, a następnie z węgla kamiennego zawierał znaczące ilości zanieczyszczeń).

Kolejnymi etapami rozwoju technologii nawozów saletrzanych było uruchomienie produkcji saletrzaków z wypełniaczem wapniakowym o zawartości około 15% N przy użyciu stopu azotanu amonu o stężeniu około 94% i stopniowe zwiększanie zawartości azotu w produkowanych saletrzakach. Procesy wytwarzania azotanu amonu na potrzeby tej technologii prowadzono przy częściowym wykorzystaniu ciepła reakcji neutralizacji kwasu azotowego amoniakiem do zagęszczania roztworu NH4NO3. Do wytworzenia końcowej postaci produktu zastosowano mechaniczny-mieszarkowy sposób granulacji.

Proces neutralizacji w rozwiązaniach tego typu prowadzi się z użyciem obiegowego roztworu NH4NO3, który przed neutralizacją wzbogaca się w kwas azotowy i przy użyciu takiego roztworu prowadzi się neutralizację kwasu azotowego amoniakiem. W instalacjach tego typu można wyróżnić dwie strefy: reakcji oraz odparowania z równoczesnym oziębianiem uzyskiwanego roztworu. W ten sposób minimalizowano i minimalizuje się zagrożenie bezpieczeństwa procesu neutralizacji kwasu azotowego amoniakiem (wydzielane ciepło reakcji służy do ogrzania zarówno wytworzonych produktów, jak i zawracanego ochłodzonego roztworu obiegowego).

Zgodnie z tą zasadą pracowały kolumny Hoblera stosowane w okresie międzywojennym i powojennym w zakładach w Chorzowie i Tarnowie oraz w okresie powojennym w Kędzierzynie-Koźlu. Zgodnie z tą zasadą (użycie roztworu obiegowego do obniżania temperatury reakcji oraz wykorzystania ciepła do odparowania części wody i oziębienia roztworu obiegowego) pracuje także obecnie szereg instalacji neutralizacji na świecie [5].

Rozwiązaniem, które także przyczyniło się do poprawy stanu bezpieczeństwa, było zastosowanie wypełniacza – wapniaka, który spełnia podwójną rolę z punktu widzenia bezpieczeństwa procesowego: rozcieńcza azotan amonu oraz podczas granulacji obniża temperaturę granulowanej mieszaniny w wyniku częściowego przereagowania z azotanem amonu w endotermicznej reakcji podwójnej wymiany.
 

Cały artykuł opublikowany został w nr 5/2018 magazynu Chemia Przemysłowa.