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A lo largo de la historia de la humanidad, las mejoras en la calidad de vida a menudo han venido acompañadas de efectos secundarios perjudiciales. La salud bucal, por ejemplo, logró grandes avances gracias a la fluoración del agua. Al mismo tiempo, existen indicios de que un exceso de fluoruro contribuye al debilitamiento de huesos y ligamentos, y podría exacerbar patologías psicológicas. La investigación científica responde a problemas como estos buscando formas de mantener los beneficios mientras se mitigan los efectos secundarios. Este tipo de investigación se lleva a cabo en el amplio espectro de las ciencias naturales y aplicadas. Un excelente subproducto de tal descubrimiento es el uso de las antorchas en la recuperación y procesamiento de combustibles.
Cuando se recuperan y refinan el petróleo, el gas natural u otras fuentes de energía, existen gases asociados que no necesariamente ayudan –y pueden incluso obstaculizar– la producción de combustible en términos de seguridad y eficiencia. La quema en antorcha simplemente se refiere a la combustión de gas que es superfluo para el desarrollo de la fuente de energía. Utilizando una chimenea o brazo a través del cual viajará el gas de antorcha, los técnicos conducen los compuestos no deseados hasta la punta donde reaccionan con el aire. Esta reacción es reconocible para muchos que pueden ver una llama en la cima de una torre en campos petroleros o instalaciones de procesamiento de combustible.
La quema en antorcha de petróleo y gas se lleva a cabo por el bien de la salud y la seguridad de los trabajadores. Un peligro evidente que se aborda con la quema en antorcha es la peligrosa acumulación de presión en tuberías y tanques. Tal ocurrencia podría provocar una explosión. Otro beneficiario de la quema en antorcha es la atmósfera: la combustión en la punta de la antorcha libera vapor de agua y dióxido de carbono (CO₂) pero también neutraliza los efectos del dióxido de azufre y otros compuestos orgánicos volátiles. Según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA), "las reducciones de emisiones de metano de 2,000 Mcf (millones de pies cúbicos) por año se aplican a una sola antorcha con un solo piloto".
Los sistemas de antorcha de gas comienzan con un flujo de entrada para regular la presión del gas natural o crudo entrante. El flujo pasa a un separador de líquidos donde el líquido y el vapor se separan. Desde allí, el gas fluye a un tambor de sello anti-retorno de llama. Sin embargo, hay una salvaguarda para esta transición: la presión debe caer dentro de un cierto rango antes de que el tambor de sello anti-retorno de llama se abra. Se bombea gas de purga al tambor para expulsar cualquier vestigio de gas combustible. Al hacerlo, el sistema impide que la llama en la parte superior de la chimenea de la antorcha baje y cause daños. Solo entonces el gas puede ingresar a la chimenea de la antorcha de gas.
La quema en antorcha (flaring) y la ventilación (venting) a menudo se confunden entre sí. De hecho, la ventilación es la liberación regulada de gases a la atmósfera durante la fase de producción del proceso de extracción de energía. No ocurre combustión en la ventilación, mientras que la quema en antorcha es la combustión controlada de gases durante las fases de producción y procesamiento.
Aunque la quema en antorcha protege ostensiblemente la atmósfera de compuestos orgánicos tóxicos y volátiles, sin embargo, es responsable de la liberación de CO₂ y metano (CH₄). Que estos compuestos contribuyen significativamente al calentamiento global está bien documentado. De hecho, innumerables estudios públicos y privados se centran únicamente en las emisiones de CH₄: algunas de las estimaciones de las instalaciones de gas natural específicas alcanzan el 10 por ciento de la descarga total. Sin embargo, el CH₄ no es la única consecuencia de la quema de gas natural. Otro componente de esta quema es algo conocido como carbono negro, es decir, contaminación del aire por partículas finas. El profano lo conoce como hollín. Es el resultado de la combustión incompleta de petróleo, gas natural o madera, entre otras fuentes de combustible. Si bien el carbono negro tiene una vida útil corta como amenaza atmosférica, puede causar mucho daño en ese breve tiempo. Se sabe que induce un efecto perjudicial en los cultivos, el suelo y la criosfera, es decir, el hielo y la nieve, así como en la salud y el bienestar humanos. Se demuestra que reducir el carbono negro incluso modestamente mitiga estos problemas.
Encontrar remedios para los efectos secundarios negativos de la quema en antorcha es una búsqueda continua. En el caso del gas natural, la quema en antorcha no es una necesidad urgente si hay acceso inmediato a una tubería a través de la cual el gas podría transportarse a una planta de tratamiento para su purificación. Ausente esa infraestructura, en cualquier caso, existe otra tecnología que apunta a la recuperación de gases de antorcha. En Taiwán, por ejemplo, ahora se instalan compresores en los sistemas de antorcha de las refinerías, por ley, para que los gases de escape se dirijan a una antorcha de suelo, una que está completamente cerrada durante la combustión. Solo cuando el volumen de procesamiento supera un cierto umbral, el diseño de la chimenea de la antorcha acomodará el exceso de gases de escape. Este sistema de recuperación de gases de antorcha ofrece una alternativa más ecológica.
A veces denominado gas natural renovable, el biogás es metano derivado de material orgánico. Denominado sustrato en la producción de biogás, la materia orgánica abarca una amplia gama: follaje en descomposición y cadáveres de animales; residuos de alimentos y compost; excrementos de animales salvajes y estiércol de ganado; aguas residuales, para dar un ejemplo. Cuando estas sustancias se privan de oxígeno, se produce la digestión anaeróbica, mediante la cual el material se desintegra químicamente por bacterias en varias etapas. Cuando tienen lugar las reacciones finales, tanto el CH₄ como el CO₂ se liberan del sustrato. La tecnología de digestor anaeróbico ahora permite procesar el sustrato en grandes cantidades y capturar y purificar el biogás para usarlo como combustible para vehículos y para convertirlo en electricidad.
Dependiendo del tipo de materia orgánica que sirva como sustrato, primero se puede pulverizar para obtener una textura más homogénea. A partir de este punto, el sustrato ingresa al tanque digestor donde se calienta, a menudo a más de 38 grados Celsius. Cuando este período de fermentación, de 20 días o más, se completa, entre el 40 y el 70 por ciento del rendimiento gaseoso es metano. El resto es principalmente CO₂ y algunas trazas de compuestos contaminantes. Muchos medios están disponibles para separar el CH₄, incluyendo absorción, adsorción y filtración por membrana. El resto del sustrato, ahora llamado digestato, sirve como un potente fertilizante para los cultivos agrícolas.
Entre los compuestos que comprometen el rendimiento del biogás o amenazan la salud y la eficiencia se incluyen: vapor de agua; sulfuro de hidrógeno; compuestos halogenados; amoníaco; siloxanos; compuestos orgánicos volátiles. También puede haber partículas similares al carbono negro en el biogás crudo. Las impurezas como estas no solo inhiben la eficiencia del combustible, sino que también pueden causar daños corrosivos a los contenedores y conductos por los que se transporta el biogás.
Los métodos comunes de eliminación han demostrado ser eficaces en la purificación de metano para uso energético. Absorción: una forma de mejora es pasar el biogás a través de una columna de solución de hidróxido de sodio (NaOH), que absorbe los contaminantes a medida que el CH₄ pasa. Adsorción: esto implica hacer que el biogás entre en contacto con una superficie sólida hecha de óxido de hierro, carbón activado, gel de sílice y/o otros compuestos que hacen que las moléculas de gas no deseadas se adhieran a la superficie. Membranas: se utilizan materiales porosos a través de los cuales pasan las moléculas de gas impuro mientras que las moléculas de metano quedan atrapadas.
A menudo, la biomasa que se encuentra en las plantas de tratamiento de aguas residuales o en los vertederos es rica en compuestos gaseosos contaminantes. Algunas de estas instalaciones optan por un sistema de antorcha de biogás. El gas de vertedero se quema con frecuencia en una antorcha de biogás cerrada. La quema puede ser constante o intermitente. La primera disminuye la cantidad de metano liberado a la atmósfera, mientras que la segunda tiene en cuenta el estado del equipo de conversión de energía. Cabe señalar que el biogás es neutro en carbono, por lo que cualquier emisión de CO₂ no cuenta como gas de efecto invernadero añadido. El uso de biogás para energía, por definición, limita el volumen de metano que aumenta en la atmósfera, ya sea que se emplee la quema en antorcha o no. Por lo tanto, la quema en antorcha causa menos problemas ambientales al quemar biogás que gas natural de depósitos geológicos. Huelga decir que la quema en antorcha cerrada es aún más ecológica. La decisión de quemar en antorcha o utilizar otra técnica para eliminar los gases nocivos a menudo depende del sustrato que da origen al biogás.
Los profesionales de la energía utilizan la quema en antorcha para quemar gases de escape al producir y refinar gas natural y petróleo. Mientras que la ventilación libera estos gases directamente a la atmósfera, la quema en antorcha, es decir, la combustión de los gases, libera menos y destruye más. Sin embargo, existen aspectos ecológicos negativos relacionados con los sistemas de recuperación de antorchas. El metano, un gas de efecto invernadero primario, todavía se emite desde la chimenea de la antorcha. Además, las partículas de carbono negro también son una consecuencia de la antorcha. El biogás también se quema en antorcha en algunos casos. Las consecuencias indeseables de la quema en antorcha con combustibles fósiles se mitigan un poco con el biogás.
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