Post combustion CO2 capture in NGCC power plants: impact of exhaust gas recirculation on performance and system integration

This thesis investigates the integration of post-combustion CO₂ capture in Natural Gas Combined Cycle (NGCC) power plants, with particular emphasis on the role of Exhaust Gas Recirculation (EGR) as a system-level integration strategy. The study focuses on MEA-based absorption systems operating at CO₂ capture ratios of 90% and 95% and aims to quantify how EGR affects exhaust gas composition, capture energy demand, absorber sizing, and overall plant performance. A sequential modelling framework is adopted, combining detailed steady-state simulations of the combined cycle power block with process modelling of the CO₂ capture unit. The power plant is simulated using GS, a proprietary software developed at Politecnico di Milano for the steady-state simulation of gas-turbine-based combined cycle power plants, while the CO₂ capture process is modelled in Aspen Plus. To ensure numerical stability of the capture model, the flue gas mass flow rate entering the absorber is kept fixed in the Aspen simulations, and the effects of EGR are accounted for through a consistent scaling procedure based on the actual exhaust gas flow rate treated by the capture unit. The results show that EGR does not improve the efficiency of NGCC plants operating without CO₂ capture but significantly enhances capture integration by increasing CO₂ concentration and reducing the flue gas flow rate sent to the absorber. An intermediate CO₂ concentration range, around 7–8 mol%, is identified as optimal, minimizing the specific reboiler thermal duty. At the plant level, EGR leads to a moderate reduction of the efficiency penalty associated with CCS and enables a substantial decrease in absorber cross-sectional area, indicating potential benefits in terms of footprint and capital cost. Overall, EGR emerges as an effective integration measure to improve the compatibility between NGCC power plants and post-combustion CO₂ capture.

La presente tesi analizza l’integrazione della cattura della CO₂ post-combustione in impianti a ciclo combinato a gas naturale (NGCC), con particolare attenzione al ruolo dell’Exhaust Gas Recirculation (EGR) come strategia di integrazione a livello di sistema. Lo studio è focalizzato su sistemi di assorbimento chimico a base di MEA operanti con rapporti di cattura della CO₂ pari al 90% e al 95%, e ha l’obiettivo di quantificare l’impatto dell’EGR sulla composizione dei fumi, sulla domanda energetica della cattura, sul dimensionamento dell’assorbitore e sulle prestazioni complessive dell’impianto. L’analisi è condotta mediante un approccio di modellazione sequenziale che combina simulazioni stazionarie dettagliate del blocco di potenza con la modellazione di processo dell’unità di cattura della CO₂. Il ciclo combinato è simulato mediante GS, un codice di simulazione proprietario sviluppato presso il Politecnico di Milano per l’analisi in condizioni stazionarie di impianti a ciclo combinato basati su turbine a gas, mentre la sezione di cattura della CO₂ è modellata mediante Aspen Plus. Per garantire la stabilità numerica del modello di cattura, la portata massica dei fumi in ingresso all’assorbitore è mantenuta costante nelle simulazioni Aspen, e gli effetti dell’EGR sono considerati attraverso una procedura di scaling coerente basata sulla portata effettiva di gas di scarico trattata dalla sezione di cattura. I risultati mostrano che l’EGR non migliora l’efficienza di impianti NGCC operanti senza cattura della CO₂, ma rappresenta un efficace meccanismo di integrazione in presenza di CCS, in quanto aumenta la concentrazione di CO₂ e riduce la portata di fumi inviata all’assorbitore. Viene individuato un intervallo ottimale di concentrazione di CO₂, intorno a 7–8 mol%, in cui la domanda termica specifica del reboiler è minimizzata. A livello di impianto, l’EGR consente una moderata riduzione della penalità di efficienza associata alla CCS e una significativa diminuzione dell’area di sezione dell’assorbitore, suggerendo potenziali benefici in termini di ingombro e costi di investimento. Nel complesso, l’EGR emerge come una strategia di integrazione efficace per migliorare la compatibilità tra impianti NGCC e cattura della CO₂ post-combustione.