무수암모니아란? 폭발성??

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이번 비료 공장 폭발의 유력한 원인은 비료의 원료인 ‘무수암모니아(anhydrous ammonia)’ 로 추정하고 있습니다. 이 비료 공장에서는 ‘무수암모니아’ 가스와 질산을 반응시켜 질산암모늄 비료를 만들고 있습니다. 이번에 사건이 발생한 비료 공장에는 약 5만 4000 파운드의 ‘무수암모니아’가 보관되어 있었다고 합니다. 그렇다면 대체 이 ‘무수암모니아’는 어떤 물질일까요?

 

물질안전보건자료 - 암모니아의 유해성

무수암모니아는 물과 결합하지 않은 암모니아를 말합니다. 위의 내용은 물질안전보건자료에 나와 있는 정보입니다. 무수암모니아의 화학물질명은 Ammonia, Anhydrous 입니다. 화학식은 NH₃ 입니다. 일반적으로 질식을 일으킬 수 있는 극도로 매운 냄새를 가진 무색의 가스이며, 인체에 노출 시에 심각한 화상과 더불어 심할 경우 사망에 이르게 하는 물질입니다.

무수암모니아를 사용하는 이유는?

그렇다면 이렇게 위험한 무수암모니아를 사용하는 이유가 무엇일까요? 그 해답은 암모니아 속의 질소 원자에 있습니다. NH3의 화학식을 가지는 암모니아는 식물의 질소공급원으로 매우 유용한 물질입니다. 식물들이 자라나는데 필수적인 유기물(단백질)을 합성할 때에는 질소가 꼭 필요합니다. 일반적으로 질소고정 박테리아 등이 토양에 질소를 공급해주는 역할을 했지만, 근대로 오면서 농업 생산량이 증대되면서 토양 속의 질소 농도가 부족하게 됩니다.

질소고정 박테리아

따라서 인위적으로 토양 속에 질소를 공급해줘야 합니다. 근대로 넘어오면서 공업적으로 질소를 수소와 반응시켜 암모니아를 만들 수 있게 되었습니다. 이 암모니아를 이용해서 농업 비료를 만들 수 있습니다. 이것이 바로 암모니아계 질소비료입니다. 암모니아 대량 생산 기술은 하버-보슈(Haber-Bosch)에 의해서 개발되었습니다. 이렇듯 암모니아는 우리 생활에 매우 유용한 물질입니다.

암모니아 합성법을 개발한 독일의 프리츠 하버

하지만 이렇게 유용한 암모니아의 약점이 바로 폭발 위험과 독성입니다. 암모니아는 물에 잘 녹는 성질이 있고, 녹는 과정은 발열 과정이라 열을 발생합니다. 게다가 공기 중에서 가열하게 되면 암모니아는 질소와 수소로 분해됩니다. 여기에서 발생된 수소가스는 폭발을 일으킬 수 있습니다. 게다가 물이 포함되지 않은 무수암모니아는 인체에 심한 화상을 일으킬 수 있습니다.

암모니아의 생산량 증가

무수암모니아 노출시 대처방법

만약에 무수암모니아가 누출 되었을 땐 어떻게 대처해야 할까요? MSDS에서는 유출 되자마자 150피트 (45.7 미터) 이상 떨어질 것을 권하고 있습니다. 또한 낮은 지역을 벗어나고, 바람이 부는 방향 위쪽에 머무르기를 권고하고 있습니다. 폭발이나 화재 시에는 용기 내부에 물을 절대로 뿌리지 말라고 합니다.

고암모니아 혈증

무수암모니아를 들이 마셨을 경우에는 즉시 의학적 처치를 받아야 하며, 먹었을 때는 다량의 물이나 우유를 먹이되 위장세척 혹은 구토를 일으키지 말라고 적혀 있습니다. 이 과정에서 의식이 없는 사람에게는 입으로 어떤 것도 주지 말라고 합니다. 바로 기도가 막힐 수 있기 때문입니다. 무수암모니아는 알려진 특별한 해독제는 없습니다. 따라서 증상 별로 의사에게 보여줘서 처치를 받아야 합니다.

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안녕하세요?? 새해 복 많이 받으세요... 궁금한게 있어서 몇가지 여쭈어봅니다.   제가 지금 암모니아수(25%, 무게%기준) Tank 20m3를 설치하고 있는데 암모니아(기체, 따로 암모니아수의 폭발 하한/상한값은 없음)의 폭발 하한값/상한값이 16%/25%라고 알고 있습니다. 설치할 암모니아 Tank의 경우 Scrubber를 통해 대기와 균압되어 있구요… 그렇다면 탱크내 기상부분에는 공기(산소)와 암모니아수의 증발된 양이 공존할 거라 생각이 됩니다.   알아본결과 여름철(35℃) 암모니아수(25%)의 포화증기압이 약 0.95kg/cm2.G 라고 알고 있습니다.   그렇다면 가령, 여름철 암모니아수 Tank 내부를 보면.... 암모니아수의 증기로 인해 암모니아와...수증기...그리고 공기가 모두 존재할 거라 생각이 듭니다. 다시 말해 어느정도의 암모니아가 존재하고 공기도 존재하기 때문에 폭발의 위험성이 있는지 궁금합니다. 물론 여러 업체의 암모니아수 Tank 사용여부를 알아본 결과 전혀 문제 없이 운전을 하고 있다고는 하지만... 이럴 경우, 암모니아내부에 하한값과 상한값에 의한 폭발성이 안전한지 궁금합니다.   추가적으로 암모니아수의 포화증기압이 위에서처럼 1kg/cm2.G가 되지 않는다면…증발이 표면에서만 이루어지는건지요...반대로 1kg/cm2.G가 넘는순간부터는 증발이 이루어진다고 보면 되는건지요??   만일, 위와 같이 1kg/cm2.G를 기준으로 증발이 이루어진다면…1kg/cm2.G가 넘는 순간부터 기상부분에는 증발된 암모니아수의 내용물 (암모니아, 수증기)이 산소를 밀어내는 형태가 될것 같은데…1kg/cm2.G를 넘는시점에서 탱크내의 공기를 암모니아수의 증기가 Scrubber를 통해 완전히 빼내기 전까지는 Tank내에 공기와 암모니아, 수증기가 공존하게 되기 때문에 폭발의 위험성이 있는건 아닌가요?   긴 내용 읽어주셔서 감사하구요...   저또한 여러가지로 검토해 보고 있습니다. 감사합니다.

스테파노 Stefano   08-02-15 18:36 (1) 인화성 증기는 공기와 접해 있다고 하면 항상 폭발위험에 노출되어 있다고 간주해야 합니다. 비록 농도가 낮은상태로 보관되어 있다고 하거나 높은 상태로 저장되어 있을 경우라고 하더라도 공기중에 새어 나오거나, 외부로부터 공기가 유입되어 용기 내부로 들어오는 경우 어느 지점에서는 반드시 폭발범위 내에 들어있기 때문입니다. 예를 들어 순수암모니아를 저장하고 있는 압력탱크에서 암모이아가 새어나오고 있다면 나오는 구멍부근에서는 100%의 암모니아이고 이 암모니아가 대기중으로 확산되어 가면서 농도가 묽어지면 반드시 25% ~16%가 되는 영역이 존재합니다.  반대로 암모니아수 탱크를 비울때 외부로부터 공기가 유입되고 있다면 공기가 들어오는 입구에서는 암모니아 농도가 0%이지만 탱크내에 들어와서 암모니아 증기와 섞이게 되면 16~25%로 유지되는 영역이 반드시 존재합니다 따라서 모두 폭발 위험은 도사리고 있다고 봐야 합니다. (2) 폭발이 일어나기 위한 조건 폭발범위는 바로 연소가스의 연소가능영역을 말합니다.  이 영역에서는 점화원과 산소가 존재한다면 언제든지 폭발할 가능성이 있기 때문에 폭발방지를 위한 장치가 필요합니다.  물론 연소의 삼요소가 존재하여도 온도가 연소가 불가능한 초저온 상태라고 하면 연소나 폭발이 일어나지 않는 경우가 있지만 대기중에서는 상온에 가까운 온도로 존재하기 때문에 연소의 삼요소가 갖추어 지는 경우 반드시 폭발이 일어난다고 간주합니다.    저장탱크에서의 폭발방지를 위해서는 정전기예방을 위하여 용기를 접지시켜 주어야 합니다 또한 대기에 개방된 배출구는 반드시 역화방지기(Flame Arrestor)를 달아두어야 합니다. 독성이 있다거나 액의 증발 손실이 큰 경우 또는 특히 큰 액체를 취급하는 경우 N2와 같은 불활성가스로 밀봉해 줍니다. (3) 암모니아수 탱크의 경우 기상에서의 암모니아 농도 암모니아수의 경우 탱크 내부에는 암모니아와 수증기의 증기가 존재하게 되는데 기상에서의 암모니아의 증기 농도는 (순수한) 암모니아의 증기압을 전체의 압력으로 나누어준 분율과 같은 농도가 됩니다.  페리헨드북에서는 암모니아수의 농도별 전체(=암모니아+수증기)의 증기압 도표뿐 만 아니라 암모니아만의 증기압과 물의 증기압을 나타낸 도표가 별도로 나타나 있습니다.  이 순수암모니아 증기압을 전체의 압력으로 나는 값이 기상에서의 암모니아의 농도(몰분률)가 됩니다.  (4) 액의 끓는 온도와 비점 이하에서의 암모니아 농도 암모니아의 증기압이 0.95 kg/cm2 G라고 했는데 증기압은 절대압력으로 나타내기 때문에 0.95 kg/cm2라고만 표현해야 합니다.    증기압이 0.95 kg/cm2라고 한다면  시스템의 절대압력이 0.95kg/cm2 되는 점의 온도에서 액이 끓어오른다는  의미가 됩니다.  그 이하의 온도에서 기상에서는 증기압에 해당하는 분압만큼의 암모니아와 수증가 공기와 섞여있게 됩니다.    끓는 온도가 되어야 암모니아가 증발되어 나오는 것이 아니라 낮은 온도에서도 기-액 평형을 이루는 온도만큼의 증기는 항상 기상에 존재합니다.  (4) 참고로.. 암모니아의 농도가 폭발범위의 농도안에 있다고 말하는 경우, 암모니아가 공기와 섞여있을 때의 암모니아의 농도를 말하는 것이 대부분이지만  만일 산소의 농도가 6% 이하로 유지되고 있지 않다면 폭발은 일어나지 않습니다.  API에서 수많은 반복실험으로  7~8% 정도 이하의 산소 농도에서는 어떤 증기나 가스도 폭발하지 않는 다는 것이 밝혀졌기 때문에 API가 약 6% 정도로 유지할 수 있다면 실질적으로 폭발을 방지할 수 있다고 하는 농도가 그렇다는 것입니다 .  이에 관해서는 아직 국제적으로 표준화는 되어 있지 않기 되어 있어서 지금도 순수 질소 등을 이용해서 산소 농도에 신경쓰지않고 공기를 완전히 차단하고는 있지만  언젠가는 표준으로 인정될 가능성이 있는 수치입니다.  물론 더욱 안전하게는  "산소농도 5% 이하유지" 등과 같이 안전영역을 더 좁힐 수도 있으나 현재로서는 6% 이하를 실질적으로 유지하도록 하고  여기에다 점화원을 완전히 제거하는 방법이 실질적으로 채용되고 있습니다 . 결론적으로.. 암모니아의 농도가 폭발범위에 있다고 해도 암모니아와 수증기의 농도가 높아서 산소의 농도가 6%이하로 유지된다고 하면 폭발되지 않습니다.  그러나 암모니아와 산소만 혼합되어있는 경우에는 폭발범위는 또 달라집니다.  암모니아와 공기가 섞여 있다고 하면  어느 순간 폭발범위에 들어올 수 있는 경우가 발샐할 수 있으므로 항상 점화원을 제거해야만 합니다.