8月4日，黎巴嫩的貝魯特港口發(fā)生大規模爆炸，遇難人數達158人，逾6000人受傷、21人失蹤。據報道，黎巴嫩高級官員表示，此次大爆炸很有可能是在港口倉庫存放六年之久的2750噸硝酸銨被引燃造成的。

位于德國路德維希的巴斯夫公司合成氨反應塔遺址

位于德國路德維希的巴斯夫公司奧堡大爆炸廢墟

黎巴嫩的貝魯特港口大爆炸廢墟

5年前的8月12日，國內天津港大爆炸也是由硝化棉自燃起火引發(fā)的硝酸銨爆炸。實(shí)際上，自20世紀初硝酸銨大規模生產(chǎn)后，其引發(fā)的安全問(wèn)題就一再出現：1921年德國奧堡工廠(chǎng)大爆炸、1947年美國得克薩斯州港口大爆炸、2001年法國圖盧茲化工廠(chǎng)大爆炸……

硝酸銨是一種普通化工產(chǎn)品，但它從誕生之日起，就被賦予了生存或是毀滅的兩重期待：或制作化肥提高糧食產(chǎn)量，為了人類(lèi)的生存；或制作成炸藥，用于戰爭，這必將帶來(lái)大量的傷亡。

在這樣的期待下，硝酸銨歷經(jīng)萬(wàn)千次探索、一波三折終從實(shí)驗室邁向中間試驗，并最終走向大規模生產(chǎn)。本文是北京大學(xué)哲學(xué)系教授周程基于科學(xué)技術(shù)史視角細述的硝酸銨的故事。

1. 肥料和炸藥的刺激

工業(yè)革命后，歐洲各國的人口出現快速增長(cháng)。用有限的土地養活更多的人口，成了擺在歐洲各國面前的一個(gè)重大課題。

要擴大糧食生產(chǎn)首先必須增加肥料的供給，而當時(shí)人畜糞便和堆肥等傳統肥料已無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的糧食生產(chǎn)的需求，歐美等國不得不想方設法開(kāi)拓新的肥料供應源。秘魯欽查群島上的鳥(niǎo)糞山就是在這個(gè)時(shí)候引起西方商人關(guān)注的。由于開(kāi)采量太大，19世紀50年代后期，數千年堆積而成的鳥(niǎo)糞山不出20年便被挖得依稀可見(jiàn)地表巖層了。

工業(yè)革命還導致炸藥使用量激增。開(kāi)礦、興建鐵路、開(kāi)挖運河，這些基礎設施建設離不開(kāi)炸藥。1853年爆發(fā)的克里米亞戰爭更是將炸藥的需求量推向了一個(gè)高峰。進(jìn)入19世紀中期后，英、法、德等國把目光投向了南美阿塔卡馬沙漠太平洋沿岸附近的硝石產(chǎn)地，該地區屬于智利管轄。

在生產(chǎn)炸藥和肥料兩種需求的刺激下，智利硝石的出口量猛增。歐洲人又開(kāi)始擔憂(yōu)智利硝石是否會(huì )像秘魯鳥(niǎo)糞山一樣很快就被消耗殆盡的問(wèn)題了。

1898年，英國皇家學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)克魯克斯呼吁科學(xué)家立即行動(dòng)起來(lái)，著(zhù)手研制可大量合成的新型肥料，尤其是把空氣中大量存在的氮氣轉換成種植小麥時(shí)不可或缺的含氮肥料。1900年擔任萊比錫大學(xué)化學(xué)系教授、后來(lái)于1909年獲諾貝爾化學(xué)獎的德國學(xué)者奧斯特瓦爾德（Friedrich W. Ostwald,1853-1932）決定響應克魯克斯的號召，啟動(dòng)直接用氮氣和氫氣合成氨的研究。不過(guò)，他最初的動(dòng)機是為了預防德國的硝石運輸線(xiàn)被英國海軍切斷的不測。

此前，已有很多人從事過(guò)合成氨研究，但大都沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。奧斯特瓦爾德是催化研究領(lǐng)域的專(zhuān)家。他認為合成氨的關(guān)鍵在于實(shí)現溫度、壓強和觸媒之間的平衡。他在實(shí)驗中發(fā)現，使用鐵絲做觸媒，對氮氣和氫氣進(jìn)行加熱后可獲得一定量的氨。他試圖將這項技術(shù)高價(jià)賣(mài)給巴斯夫公司。

巴斯夫公司在決定是否購買(mǎi)該項技術(shù)時(shí)，有關(guān)負責人讓進(jìn)公司還不到一年的卡爾·博施（Carl Bosch,1874-1940）對奧斯特瓦爾德的合成氨實(shí)驗進(jìn)行了追試。博施的追試實(shí)驗不盡如人意，并與奧斯特瓦爾德發(fā)生爭執，奧斯特瓦爾德一氣之下決定不再從事合成氨研究。

弗里茨·哈伯

2. 不服輸的哈伯

20世紀初，還有不少德國學(xué)者前赴后繼地展開(kāi)用氮氣和氫氣合成氨的研究，其代表人物有能斯特（Walther H. Nernst,1864-1941）和弗里茨·哈伯（Fritz Haber,1868-1934）。能斯特1904年起擔任柏林大學(xué)的物理化學(xué)教授，1920年因發(fā)現熱力學(xué)第三定律而榮獲當年度的諾貝爾化學(xué)獎。哈伯1898年起擔任卡爾斯魯厄（Karlsruhe）高等工科學(xué)校物理化學(xué)和電化學(xué)副教授，1906年升任教授，1919年因發(fā)明用氮氣和氫氣直接合成氨的方法而榮獲1918年度諾貝爾化學(xué)獎。

哈伯1904年把研究重點(diǎn)轉向合成氨。最初，他主要遇到了兩個(gè)難題：一是組成氮氣分子的兩個(gè)氮原子結合得非常緊密，很難把它們分離開(kāi)，除非加熱到1000℃以上；二是氮原子和氫原子結合成氨分子時(shí)，會(huì )產(chǎn)生大量的熱能，如果不能快速地對氨進(jìn)行冷卻處理，氨分子很容易吸熱分解。哈伯在實(shí)驗中獲得的氨的數量極少，由于合成氨的產(chǎn)率太低，工業(yè)化生產(chǎn)前景不妙，哈伯打算放棄這項研究。1905年，哈伯公開(kāi)發(fā)表了他在研究過(guò)程中獲得的部分數據。

能斯特當時(shí)也在從事與合成氨相關(guān)的研究，他在把自己發(fā)現的熱定理運用到氨的平衡研究過(guò)程時(shí)，計算出了在不同溫度條件下用氮氣和氫氣合成氨時(shí)的產(chǎn)率。該計算值遠小于哈伯的實(shí)驗數據。能斯特認為哈伯的數據偏大極有可能是因實(shí)驗誤差造成的。1906年秋，能斯特把自己研究得出的數據遠小于哈伯測得的數據一事寫(xiě)信告訴了哈伯。

在1907年德國本生協(xié)會(huì )會(huì )議上，能斯特和哈伯先后公開(kāi)了自己有關(guān)合成氨的最新研究結果。由于雙方的氨的產(chǎn)率數據差異比較大，彼此之間為誰(shuí)是誰(shuí)非發(fā)生了爭執。哈伯回到學(xué)校后便一頭鉆進(jìn)實(shí)驗室，幾乎把所有時(shí)間都用來(lái)從事合成氨研究。他發(fā)誓一定要洗刷掉能斯特潑在自己身上的臟水。

此后半年多，哈伯通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗裝置、加大反應壓強對合成氨展開(kāi)了一系列研究。當把反應壓強加大到遠高于能斯特實(shí)驗所加壓強值時(shí)，獲得了超出預期的好結果，但該項技術(shù)離工業(yè)化生產(chǎn)的要求還有相當大的距離。

此后，在巴斯夫的資助下，哈伯添置了一批高壓研究設備。他打算重點(diǎn)研究100~200個(gè)大氣壓下的氨的合成情況。實(shí)驗結果表明，隨著(zhù)壓強的不斷提升，氨的產(chǎn)率不斷增大。當壓強加大到200個(gè)大氣壓時(shí)，溫度即使下降到500~600℃之間，氨的產(chǎn)率也不會(huì )明顯減少。這在溫度超過(guò)700℃，觸媒活性大都會(huì )急劇下降的情況下，意義非同尋常。

在弄清了溫度和壓強的最佳平衡點(diǎn)之后，為了進(jìn)一步提高氨的生成速度，哈伯集中精力對觸媒進(jìn)行篩選。他先后對粉狀的鎳、鎂、鉑等進(jìn)行了測試，但效果均不理想。之后，他又把稀有物質(zhì)試料拿出來(lái)進(jìn)行測試，并于1909年3月發(fā)現使用鋨做觸媒可以大幅提高氨的生成速度。這意味著(zhù)氨的工業(yè)化生產(chǎn)前景已經(jīng)變得相當明朗了。

之后，哈伯找到了跟鋨的功效同樣顯著(zhù)的新觸媒——鈾，并經(jīng)過(guò)不懈努力，終于在1909年7月的一次模擬實(shí)驗中，使整個(gè)系統持續穩定地運轉了5小時(shí)之久。當時(shí)，高壓反應室中被轉化成氨的氮氣達6%~8%。是時(shí)，哈伯尚不滿(mǎn)40歲。

此后，有關(guān)合成氨的研究開(kāi)始由實(shí)驗室研究走向中間試驗研究，研究中心也由哈伯的實(shí)驗室轉移到了巴斯夫。

卡爾·博施

3. 萬(wàn)千次試錯的博施

合成氨的中間試驗研究是在博施的領(lǐng)導下展開(kāi)的。當時(shí)，博施年僅35歲。

博施1909年夏開(kāi)始主持合成氨項目中間試驗研究時(shí)，面臨的難題數不勝數，其中最大的三個(gè)難題是，廉價(jià)高效觸媒的開(kāi)發(fā)、高純度原料氣體的大量生產(chǎn)和大型耐高溫高壓合成反應裝置的研制。

新觸媒的開(kāi)發(fā)由米塔斯（Alwin Mittasch，1870-1953）具體負責。盡管哈伯繼鋨之后又發(fā)現了鈾具有比較好的催化功能，但鈾和鋨都不能算是理想的觸媒。米塔斯小組設計出了一種可迅速更換觸媒的小型實(shí)驗裝置。實(shí)驗時(shí)，他們通常會(huì )同時(shí)啟動(dòng)20多臺裝置對不同的觸媒進(jìn)行測試。在此過(guò)程中，一種瑞典產(chǎn)的磁鐵礦催化效果不錯。于是，他們在純鐵中按照不同的比例一次摻入一種元素進(jìn)行測試，之后又按不同的比例同時(shí)摻入兩種元素，甚至是三種元素進(jìn)行測試。結果顯示，用純鐵做觸媒幾乎沒(méi)有任何效果。但是，摻入某些物質(zhì)后，仿佛是給鐵施加了魔法似的，其催化效果陡增。

1910年1月初，米塔斯小組發(fā)現，在鐵中添加氧化鋁后，其催化效果幾乎與鋨相同。再添加少量氧化鉀，其催化效果更佳。米塔斯小組又對有可能成為觸媒的物質(zhì)進(jìn)行了成千上萬(wàn)次的試錯實(shí)驗。遺憾的是他們后來(lái)一直未能發(fā)現比鐵、氧化鋁、氧化鉀三者的混合物催化效果更好的合成氨觸媒。

由于新研制的觸媒很容易被原料氣體中的有害雜質(zhì)毒化而失效，因此合成反應對原料氣體的純度要求很高。博施他們只得嘗試著(zhù)用電解鹽水法制取氫氣，后因反應速度太慢、用電量太大而作罷。之后，他們決定改用水蒸氣與灼熱的焦炭反應來(lái)制取氫氣。問(wèn)題是，生成氣體中含有不少一氧化碳。為了清除氫氣中的一氧化碳等有害氣體，博施專(zhuān)門(mén)組建了一個(gè)攻關(guān)小組。該小組經(jīng)過(guò)多方努力，終于開(kāi)發(fā)出可大量制造高純度氫氣的工藝。

此時(shí)，如何設計制造能耐高溫高壓的大型合成反應裝置便成了當務(wù)之急。

合成反應容器的工作環(huán)境非常惡劣。其內部壓強通常是蒸汽鍋爐的20倍，溫度高得可以把鐵燒紅。博施他們不僅對當時(shí)最先進(jìn)的蒸汽機車(chē)、汽油發(fā)動(dòng)機和柴油發(fā)動(dòng)機等進(jìn)行了研究，而且還走訪(fǎng)了克虜伯等大型鋼鐵企業(yè)的負責人，并請他們介紹了大炮制造技術(shù)的最新發(fā)展情況。在博施的率領(lǐng)下，全體人員連續奮戰多月，終于設計制造出了兩臺高達2米4的圓柱形合成反應容器，并將其置于用強化混凝土制成的防護罩內。但這兩臺中試用合成反應容器只運行了三天就爆炸了。

爆炸是因圓柱形合成反應容器內壁多處出現龜裂引起的。研究人員走過(guò)一段彎路后最終發(fā)現，爆炸是因粒徑很小的氫原子在高壓下鉆進(jìn)了受熱膨脹后的碳素鋼內部，并與其中的碳元素發(fā)生反應引發(fā)的。由于合成反應條件很難改變，故擺在博施面前的選擇只剩下兩個(gè)，要么改用其他金屬制作反應容器，要么給碳素鋼反應容器內壁加一道保護層。

當時(shí)能夠用來(lái)制造耐高溫高壓反應容器的只有鉑等少數貴金屬，成本太高。因此只能給碳素鋼反應容器內壁加保護層了。博施在對加保護層方案進(jìn)行分析總結時(shí)，想出了給高強度碳素鋼圓筒加內襯的方案。使用內襯的主要目的是阻擋氫原子向其外側的碳素鋼圓筒內壁滲透。如果內襯使用久了發(fā)生脆化，可以進(jìn)行更換。只要內襯能把滲透到其外側的氫原子的數量大幅度降下來(lái)，那么內襯外側的碳素鋼承壓圓筒就不大會(huì )發(fā)生內壁脆化現象。至于內襯所使用的材料可以是強度不高、含碳量很低的熟鐵。

加熟鐵內襯之后，如何將滲透到內襯外側的少量氣體及時(shí)地排放出去？博施再度陷入長(cháng)思，并于1911年2月偶然意識到：此前，他們一直在努力防止反應容器內的氫氣外泄，生怕泄漏出來(lái)的氫氣遇氧后發(fā)生爆炸。其實(shí)，氫氣泄漏出來(lái)后，只要在空氣中的濃度未達到發(fā)生爆炸的程度，人們就可以不用管它。這意味著(zhù)在碳素鋼圓筒上鉆一些小孔，直接把滲透到內襯外側的少量氫氣排放出來(lái)并不至于造成太大的危險。

1911年3月，博施把上述想法付諸實(shí)施之后，發(fā)現防爆效果非常明顯。1911年底，日產(chǎn)氨量高達數噸的中試裝置終于實(shí)現了穩定運行。這意味著(zhù)大規模興建合成氨工廠(chǎng)的技術(shù)可行性已基本具備。

4. 一戰的“催化”

1913年9月，巴斯夫的第一座合成氨工廠(chǎng)在奧堡建成投產(chǎn)。巴斯夫合成氨工廠(chǎng)建成投產(chǎn)前，由于氨的產(chǎn)量低且價(jià)格昂貴，氨多被用做冷卻劑，很少被用做化肥的。合成氨工廠(chǎng)建成投產(chǎn)后，氨的產(chǎn)量急速攀升，于是就有必要開(kāi)拓農村市場(chǎng)，直面與智利硝石的競爭問(wèn)題了。對巴斯夫來(lái)講，最簡(jiǎn)單的辦法就是把氨轉化成硫酸銨。但是，德國農民用慣了硝酸鹽類(lèi)肥料，不怎么喜歡用硫酸銨。這樣一來(lái)，博施需要考慮如何將氨轉化成硝酸，然后再進(jìn)一步轉化成硝酸銨之類(lèi)肥料。

但沒(méi)過(guò)多久就爆發(fā)了第一次世界大戰。由于智利硝石多被軍方拿去生產(chǎn)炸藥了，德國的肥料供應出現了短缺。隨著(zhù)硫酸銨銷(xiāo)量的增加，巴斯夫必須進(jìn)一步提高氨的產(chǎn)能。實(shí)際上，除非對生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵設備——合成反應容器進(jìn)行徹底改造，否則合成氨的產(chǎn)能很難再上一個(gè)臺階。而軍方的炸藥需求對巴斯夫合成氨工廠(chǎng)的改建與擴建產(chǎn)生了決定性的影響。

一戰前，德軍以為很快就可結束戰事，只準備了半年的彈藥。當軍方意識到戰爭有可能會(huì )僵持一段時(shí)間之后，便開(kāi)始思考軍火的穩定供應問(wèn)題。

戰前，在銀行界的大力支持下，石灰氮法固氮技術(shù)在德國也獲得了比較快的發(fā)展。由于石灰氮很容易轉化成生產(chǎn)炸藥所需的硝酸，在一些人士的游說(shuō)下，德國政府決定資助相關(guān)企業(yè)大規模擴建石灰氮工廠(chǎng)。這顯然刺痛了哈伯和博施。哈伯和博施不能坐視石灰氮法固氮技術(shù)的崛起。經(jīng)過(guò)一番艱苦探索之后，巴斯夫發(fā)現，雖然將氨直接轉化成硝酸比較麻煩，但可以比較方便地將其轉化成和智利硝石主要成分相同的物質(zhì)——硝酸鈉。這意味著(zhù)只要政府肯投資，巴斯夫即可在短期內大量生產(chǎn)可用于制造炸藥的“智利硝石”。

為此，博施游說(shuō)德國政府，強調硝酸鈉可以很方便地用來(lái)生產(chǎn)炸藥（硝酸鈉和硫酸可以反應生成硝酸），更重要的是用硝酸鈉生產(chǎn)炸藥的費用遠比用石灰氮生產(chǎn)炸藥便宜。最終博施和德國政府簽訂了一項協(xié)議，承諾半年內完成奧堡合成氨工廠(chǎng)的改造，自1915年5月起每月生產(chǎn)5000噸硝酸鈉。

但巴斯夫開(kāi)始批量生產(chǎn)“智利硝石”的當月，就遭遇法國空軍的大規模轟炸。1915年9月，德國政府建議巴斯夫在法國飛機炸不到的德國中部地區建一座比現在的合成氨工廠(chǎng)還要大一倍的第二合成氨工廠(chǎng)。1917年4月底，讓洛伊納工廠(chǎng)的大型合成反應塔實(shí)現了點(diǎn)火。該廠(chǎng)建成當年產(chǎn)量就沖到3.6萬(wàn)噸，戰爭結束時(shí)的年產(chǎn)量急速攀升至16萬(wàn)噸。

5. “空氣變成面包”的代價(jià)

一戰后，巴斯夫針對農業(yè)生產(chǎn)的需要進(jìn)行了產(chǎn)品結構調整。比起硫酸銨，德國農民更喜歡使用硝酸鹽類(lèi)化肥料，加上用硝酸銨制作肥料還有很多其他方面的優(yōu)勢，故巴斯夫很快就實(shí)現了硝酸銨的大規模生產(chǎn)。

為了便于儲存和運輸，工廠(chǎng)一般都會(huì )對硝酸銨溶液進(jìn)行濃縮、結晶和造粒處理。問(wèn)題是，硝酸銨顆粒很容易受潮結塊，而且對高溫的耐受力較差。硝酸銨受熱分解后會(huì )產(chǎn)生大量的氧氣、氮氧化物和水蒸氣，這些氣體在急劇釋放的情況下，很有可能會(huì )引起爆炸。由于巴斯夫對硝酸銨的這一危險性缺乏足夠的了解，所以曾在一次粗暴的操作中，引發(fā)了一場(chǎng)駭人聽(tīng)聞的大爆炸。

1921年9月21日上午7時(shí)32分，巴斯夫公司奧堡工廠(chǎng)一處存放有4500噸硝酸銨與硫酸銨復合肥料的巨型庫房發(fā)生猛烈爆炸，爆炸中心形成了一個(gè)直徑125米、深19米的大坑。這次的大爆炸造成奧堡工廠(chǎng)附近的1000多戶(hù)房屋中的70％被摧毀。方圓數十公里內的路德維希港、奧格斯海姆、弗蘭肯塔爾等地的建筑物也受到破壞。這場(chǎng)災難造成509人喪生、160人失蹤、1952人受傷、7500人無(wú)家可歸，是德國化學(xué)工業(yè)史上最大的一次事故。

因爆炸中心無(wú)人生還，直到1925年，奧堡大爆炸的官方調查結果才對外公布。德國電視一臺稱(chēng)，當時(shí)工廠(chǎng)將生產(chǎn)出來(lái)的硝酸銨和硫酸銨大量囤積于庫房?jì)?，準備等市?chǎng)旺銷(xiāo)時(shí)上市。由于庫房里堆積的4500噸硝酸銨和硫酸銨已經(jīng)固化，于是工人們引爆少量炸藥來(lái)將其松動(dòng)，因為“此前類(lèi)似操作從沒(méi)有發(fā)生過(guò)事故”。

調查還發(fā)現，在奧堡大爆炸發(fā)生前兩個(gè)月，德國就發(fā)生過(guò)運送硝酸銨的貨車(chē)爆炸事故，但那場(chǎng)事故并沒(méi)有引起巴斯夫的警惕。

不過(guò)，奧堡大爆炸發(fā)生三個(gè)月后，奧堡工廠(chǎng)的生產(chǎn)就恢復了，因為太多人食不果腹，急需使用化肥增產(chǎn)糧食，因此人們沒(méi)有過(guò)分苛求成功“將空氣變成面包”的巴斯夫公司。然而，正是這種寬容，造成了此后的一次又一次的硝酸銨大爆炸，包括這次的貝魯特港口的硝酸銨大爆炸。

后記

化學(xué)工業(yè)是非常特殊的工業(yè)，發(fā)展過(guò)程中需要不斷試錯，對于安全生產(chǎn)的要求極高。因此，維持強大的化學(xué)工業(yè)需要大量的基礎人才支撐。巴斯夫公司工業(yè)化生產(chǎn)硝酸銨的過(guò)程一波三折，最終能夠成功離不開(kāi)充沛的化工基礎人才供給。

德國在洪堡教育改革后形成了高質(zhì)量的科學(xué)—工程教育體系，這使得德國在化學(xué)、機械等工業(yè)領(lǐng)域有了世界頂級的人力資源，最終使得德國在化工等領(lǐng)域領(lǐng)先世界。即使如此，安全生產(chǎn)依然是化學(xué)工業(yè)繞不開(kāi)的達摩克利斯劍，要維持安全生產(chǎn)更需要大量基礎人才不斷改進(jìn)維護。

本次貝魯特大爆炸，很大程度上源于黎巴嫩海關(guān)工作人員缺乏硝酸銨這類(lèi)危險品的存儲知識。從去年10月起，黎巴嫩各地即爆發(fā)了大規模示威活動(dòng)，要求政府下臺，組建新的專(zhuān)家政府。黎巴嫩是教育水平極高的國家，有諸多高水平大學(xué)，培養了大批高水平人才。但由于政局長(cháng)期動(dòng)蕩的復雜原因，其政府人員的平均教育水平反倒較低，專(zhuān)家型人才在國內難以發(fā)展，這是其國人民一直詬病的痼疾。培養、使用和拔擢專(zhuān)家型人才是有為政府的應有之義。

當今時(shí)代，社交網(wǎng)絡(luò )下沉情況嚴重，全世界反智主義和利己主義浪潮興起，基礎人才的培養和就業(yè)在諸多國家都出現了問(wèn)題。今年7月，美國兩艘準航母缺乏專(zhuān)業(yè)人才維護失火的事件殷鑒不遠。千里之堤，潰于蟻穴。一次大爆炸，希望能喚醒黎巴嫩和當今世界。