Post-combustion CO2 capture in natural gas combined cycle for cogeneration

The integration of a post-combustion CO2 capture (PCCC) process in a natural gas combined cycle with Combined Heat and Power (NGCC-CHP) can be a promising solution for providing efficient and low-CO2 emission process heat to industrial facilities, such as petrochemical plants and refineries. The capture process can be integrated by extracting steam at suitable points in the Heat Recovery Steam Generator (HRSG) to supply heat to the reboiler for solvent regeneration in the CO2 capture unit. This study analyzes and quantifies the impact of integrating the PCCC section on the performance of the cogenerative combined cycle under three load conditions: 100%, 70%, and 40%. Starting from the design data of a real gas turbine, the performance is calculated using models, developed in Aspen Plus, of the HRSG and the capture section. A key objective of the work involved developing an Aspen model for evaluating the performance of a HRSG, both at nominal and partial load. The calculations conducted reveal that the impact resulting from the addition of the PCCC section is significant not only in terms of electrical power reduction but also, and most importantly, in terms of thermal power available for cogeneration, leading to a considerable narrowing of the operational range of the combined cycle. Specifically, low-pressure steam and a significant fraction of high-pressure steam are required to supply heat to the reboiler and cannot be utilized for the generation of electrical or thermal power. Furthermore, the auxiliaries in the capture section introduce a significant burden on electrical consumption.

Molte utenze industriali, quali impianti petrolchimici e raffinerie, richiedono calore di processo ad alta temperatura per le proprie attività. Una soluzione tecnologica efficiente e a basse emissioni di anidride carbonica per servire un'utenza di questo tipo può consistere in un ciclo combinato cogenerativo a gas naturale con cattura post-combustione della CO2. La cattura può essere integrata realizzando estrazioni di vapore in punti opportuni della caldaia a recupero, per fornire al reboiler il calore necessario alla rigenerazione del solvente. In questo studio viene analizzato e quantificato l'impatto prodotto dall'integrazione della cattura post-combustione sulle prestazioni del ciclo combinato cogenerativo in tre condizioni di carico: 100%, 70% e 40%. Partendo dai dati di progetto di una turbina a gas reale, le prestazioni dell'impianto vengono calcolate attraverso modelli della caldaia a recupero e della sezione di cattura, realizzati in Aspen Plus. Un obiettivo importante del lavoro è consistito proprio nello sviluppo di un modello Aspen per la valutazione delle prestazioni di una caldaia a recupero, sia a carico nominale che parziale. I calcoli effettuati mostrano che l'effetto prodotto dall'aggiunta dell'impianto di cattura è rilevante non solo in termini di riduzione di potenza elettrica, ma anche e soprattutto di potenza termica disponibile per la cogenerazione, con un conseguente notevole restringimento del campo operativo del ciclo combinato. Infatti, il vapore di bassa pressione e un'importante percentuale del vapore di alta pressione sono richiesti per fornire calore al reboiler e non possono essere sfruttati per produrre potenza elettrica o termica. Inoltre, gli ausiliari della sezione di cattura introducono un significativo aggravio nei consumi elettrici.