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Ao longo da história da humanidade, as melhorias na qualidade de vida têm frequentemente vindo acompanhadas de efeitos secundários prejudiciais. A saúde oral, por exemplo, deu grandes passos devido à fluoretação da água. Ao mesmo tempo, há indícios de que o excesso de flúor contribui para o enfraquecimento de ossos e ligamentos, e pode exacerbar patologias psicológicas. A investigação científica responde a questões como estas, procurando formas de reter os benefícios, mitigando os efeitos secundários. Este tipo de investigação ocorre em todo o amplo espetro das ciências naturais e aplicadas. Um excelente subproduto de tal descoberta é o uso da queima (flaring) na recuperação e processamento de combustíveis.
Quando o petróleo, o gás natural ou outras fontes de energia são recuperados e refinados, existem gases associados que não necessariamente ajudam — e podem até dificultar — a produção de combustível em termos de segurança e eficiência. Flaring refere-se simplesmente à queima de gás que é supérfluo para o desenvolvimento da fonte de energia. Utilizando uma chaminé ou um braço (stack or boom) através do qual o gás de flare viajará, os técnicos conduzem os compostos indesejados para a ponta, onde reagem com o ar. Esta reação é reconhecível por muitos que podem ver uma chama no topo de uma torre em campos petrolíferos ou instalações de processamento de combustível.
A queima de petróleo e gás é realizada para a saúde e segurança dos trabalhadores. Um perigo óbvio abordado pelo flaring é o perigoso acúmulo de pressão em tubulações e tanques. Tal ocorrência poderia levar a uma explosão. Outro beneficiário do flaring é a atmosfera: a combustão na ponta do flare libera vapor de água e dióxido de carbono (CO₂), mas também neutraliza os efeitos do dióxido de enxofre e de outros compostos orgânicos voláteis. De acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA), "as reduções de emissões de CH₄ de 2.000 Mcf (milhões de pés cúbicos) por ano aplicam-se a um único flare com um único piloto."
Os sistemas de flare de gás começam com um fluxo de entrada para regular a pressão do gás natural ou petróleo bruto que chega. O fluxo prossegue para um vaso separador (knockout drum), onde o líquido e o vapor se separam. A partir daí, o gás flui para um tambor de vedação antichama (flashback seal drum). Há uma salvaguarda para esta transição, no entanto: a pressão deve estar dentro de um determinado intervalo antes que o tambor de vedação antichama se abra. O gás de purga é bombeado para o tambor para expelir quaisquer vestígios de gás combustível. Ao fazer isso, o sistema impede que a chama no topo da chaminé do flare desça e cause danos. Só então o gás pode entrar na chaminé do flare.
Flaring e venting (ventilação) são frequentemente confundidos um com o outro. Na verdade, venting é a liberação regulada de gases para a atmosfera durante a fase de produção do processo de extração de energia. Nenhuma combustão ocorre no venting, enquanto flaring é a queima controlada de gases durante as fases de produção e processamento.
Embora o flaring supostamente proteja a atmosfera de compostos orgânicos tóxicos e voláteis, ele ainda é responsável pela liberação de CO₂ e CH₄. Que esses compostos são contribuintes significativos para o aquecimento global é bem documentado. Na verdade, inúmeros estudos públicos e privados se concentram apenas nas emissões de CH₄: algumas das estimativas de instalações específicas de gás natural atingem 10% do descarte total. No entanto, o CH₄ não é a única consequência da queima de gás natural. Outro componente desta queima é algo conhecido como carbono negro, ou seja, poluição do ar por partículas finas. O leigo conhece-o como fuligem. É o resultado da combustão incompleta de petróleo, gás natural ou madeira, entre outras fontes de combustível. Embora o carbono negro tenha uma vida útil curta como ameaça atmosférica, ele pode causar muitos danos nesse breve período. Sabe-se que ele induz um efeito prejudicial nas culturas, no solo e na criosfera, ou seja, gelo e neve, bem como na saúde e bem-estar humanos. Reduzir o carbono negro, mesmo que modestamente, demonstrou mitigar esses problemas.
Encontrar soluções para os efeitos secundários negativos do flaring é uma busca contínua. No caso do gás natural, o flaring não é uma necessidade urgente se houver acesso imediato a gasodutos através dos quais o gás possa ser transportado para uma estação de tratamento para purificação. Na ausência dessa infraestrutura, de qualquer forma, existe outra tecnologia que aponta para a recuperação de gás de flare. Em Taiwan, por exemplo, compressores são agora acoplados aos sistemas de flare de refinaria — por lei — para que o escape seja direcionado para um flare de solo, totalmente fechado durante a combustão. Somente quando o volume de processamento ultrapassar um certo limite, o projeto da chaminé do flare acomodará o excesso de escape. Este sistema de recuperação de gás de flare oferece uma alternativa mais ecológica.
Às vezes referido como gás natural renovável, o biogás é CH₄ derivado de material orgânico. Chamado de substrato na produção de biogás, a matéria orgânica abrange uma vasta gama — folhagem em decomposição e carcaças de animais; resíduos alimentares e compostagem; excrementos de animais selvagens e estrume de gado; esgoto e águas residuais, para citar alguns exemplos. Quando tais substâncias são privadas de oxigênio, ocorre a digestão anaeróbica, onde o material é quimicamente desintegrado por bactérias em várias etapas. Quando as reações finais ocorrem, tanto o CH₄ quanto o CO₂ são liberados do substrato. A tecnologia de digestor anaeróbico agora permite que o substrato seja processado em grandes quantidades e o biogás seja capturado e purificado para uso como combustível veicular e para conversão em eletricidade.
Dependendo do tipo de matéria orgânica que serve como substrato, ela pode ser primeiro pulverizada para uma textura mais homogênea. A partir deste ponto, o substrato entra no tanque digestor onde é aquecido, muitas vezes a mais de 100 graus Fahrenheit. Quando este período de fermentação — 20 dias ou mais — está completo, entre 40 e 70 por cento do rendimento gasoso é CH₄. O restante é principalmente CO₂ e algumas pequenas quantidades de compostos contaminantes. Muitos meios estão disponíveis para separar o CH₄, incluindo absorção, adsorção e filtragem por membrana. O restante do substrato, agora chamado de digestato, serve como um potente fertilizante para culturas agrícolas.
Entre os compostos que comprometem o desempenho do biogás ou ameaçam a saúde e a eficiência estão: vapor de água; H₂S; compostos halógenos; amônia; siloxanos; compostos orgânicos voláteis. Material particulado semelhante ao carbono negro também pode estar presente no biogás bruto. Não só impurezas como estas inibem a eficiência do combustível, mas também podem causar danos corrosivos aos recipientes e condutas através dos quais o biogás é transportado.
Métodos comuns de remoção demonstraram eficácia na purificação do CH₄ para uso energético. Absorção — Uma forma de atualizar é fazer passar o biogás através de uma coluna de solução de hidróxido de sódio (NaOH), que absorve os contaminantes à medida que o CH₄ passa. Adsorção — Isso envolve fazer com que o biogás entre em contato com uma superfície sólida feita de óxido de ferro, carvão ativado, gel de sílica e/ou outros compostos que fazem com que as moléculas de gás indesejadas adiram à superfície. Membranas — Materiais porosos são usados através dos quais as moléculas de gás impuro passam enquanto as moléculas de CH₄ são retidas.
Frequentemente, a biomassa encontrada em estações de tratamento de esgoto ou aterros sanitários é rica em compostos gasosos contaminantes. Algumas dessas instalações optam por um sistema de flare de biogás. O gás de aterro sanitário é frequentemente queimado em um flare de biogás fechado. O flaring pode ser constante ou intermitente. O primeiro diminui a quantidade de CH₄ liberado na atmosfera, enquanto o último leva em consideração a condição do equipamento de conversão de energia. Vale ressaltar que o biogás é carbono neutro, então qualquer emissão de CO₂ não conta como gás de efeito estufa adicionado. O uso de biogás para energia, por definição, limita o volume de CH₄ aumentando na atmosfera, seja o flaring empregado ou não. Assim, o flaring causa menos problemas ambientais ao queimar biogás do que gás natural de depósitos geológicos. Desnecessário dizer que o flaring fechado é ainda mais ecológico. Se deve-se queimar ou usar outra técnica para eliminar os gases nocivos, muitas vezes depende do substrato que dá origem ao biogás.
Profissionais de energia utilizam o flaring para queimar gases de escape na produção e refino de gás natural e petróleo. Enquanto o venting libera esses gases diretamente na atmosfera, o flaring, ou seja, a queima dos gases, libera menos e destrói mais. Existem, no entanto, aspectos ecológicos negativos relacionados aos sistemas de recuperação de flare. O CH₄, um gás de efeito estufa primário, ainda é emitido pela chaminé do flare. Além disso, partículas de carbono negro também são uma consequência do flare. O biogás também é queimado em alguns casos. As consequências indesejáveis do flaring com combustíveis fósseis são um tanto mitigadas com o biogás.
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