The decomposition of ammonium nitrate under fire conditions – a review of ammonium nitrate thermolysis

Abstract

Since the discovery of ammonium nitrate (AN) in the late 17th century, its behavior under heating has been of interest to the scientific community. Following its introduction as a commercially important chemical in fertilizers and explosive formulations, but also for the production of nitrous oxide (anesthetics), the safety field also became attentive to this as a consequence of the underlying explosion risks associated with handling, transport and storage of the material, especially when subjected to elevated temperatures. Evidently, ammonium nitrate under fire exposure is now a well-established explosion hazard and has been responsible for some of the greatest industrial accidents to date. Accordingly, the investigative literature on AN thermolysis is immense, of which this review endeavors to present a comprehensive and contemporary compilation. Morphology, decomposition pathways and the shock-sensitivity of AN are influenced by elevated temperatures and heating rates. However, researchers have never been able to induce explosion in pure AN under controlled conditions by heat alone. Here, other factors play an important part. Of these, confinement stands out as a crucial determinant – elevated pressure increases gas-solid phase interactions under decomposition, promoting exothermic behavior, even for pure AN. This is especially an important feature to consider if bulk amounts of AN is subjected to fire, as larger heaps are likely to self-confine. Contaminants and combustible material are also well-known contributors to the explosion risks of AN. As more realistic and complex thermoanalytic and computational technologies have been developed, a greater understanding of the mechanisms behind the thermolysis of contaminated AN has emerged. For most contaminants, detrimental effects such as thermal run-aways and explosions seem to depend on a certain amount of initial heating and confinement. Due to the prominent endothermic behavior of AN dissociation, however, AN is in most cases a relatively stable compound even when heated. This means, that strictly defined conditions are necessary for achievement of deflagration-to-detonation transitions or just deflagration alone. As the critical determinants for such transitions are yet to be established, heat exposure is still the most obvious, generic and critical cause of explosion in any fire related AN explosion.

Siden oppdagelsen av ammoniumnitrat (AN) på slutten av 1600-tallet har effekten av dets oppvarming vært av vitenskapelig interesse. Da AN etter hvert ble et viktig kommersielt og industrielt kjemikalie som bestanddel i gjødsel- og eksplosivformuleringer, men også som utgangsstoff i produksjon av dinitrogenoksid, økte denne interessen betraktelig med hensyn til sikkerhet ved håndtering, oppbevaring og transport. Dette har vært en konsekvens av ANs underliggende eksplosjonsrisiko under brann og høye temperaturer, som har blitt eksemplifisert av noen av historiens største industriulykker. Det finnes derfor en stor mengde litteratur om ANs termolyse og egenskaper under brann. Denne litteraturstudien er en sammenfatning av resultater fra denne forskningen. Under høye temperaturer påvirkes morfologien, dekomponeringsmønstrene og sjokkfølsomheten av AN. Selv etter et århundre med forskning på området har man likevel ikke vært i stand til å påvise eksplosjon i ren AN ved oppvarmning alene. Her spiller andre faktorer en viktig rolle og da spesielt inneslutning. Ved forhøyet trykk fremmes gass- og fastfaseinteraksjoner under ANs termolyse og eksoterme reaksjoner fremmes. Dette er en viktig egenskap å være oppmerksom på ved brann der store mengder AN er tilstede, da bulkmengder i visse tilfeller kan inneslutte seg selv under oppvarming. Kontamineringer og brennbart materiale er også velkjente faktorer som øker eksplosjonsrisikoen i AN. Etter hvert som mer realistiske og komplekse termiske analyser og simuleringsmetoder har blitt introdusert til fagområdet, har man fått en bedre forståelse for mekanismene bak termolysen av kontaminert AN. For de fleste typer av kontamineringer ses det at de mest skadelige utfall som termiske kjedereaksjoner og eksplosjoner, er avhengig av en viss mengde oppvarming og/eller inneslutning. På grunn av den anselige endoterme karakteren til AN dissosiasjon er det likevel en relativt stabil forbindelse, selv under oppvarming. Dette betyr at hensiktsmessige forhold er nødvendige for å oppnå deflagrasjon-til-detonasjonsoverganger. Da de eksakte determinantene og mekanismene for denne overgangen ennå ikke er etablert, er derfor temperaturpåvirkning fortsatt den mest selvinnlysende, generiske og primære eksplosjonsårsak i enhver brannrelatert AN-eksplosjon.