在全球能源结构转型的背景下，氢能因其清洁、高效和可持续性成为备受关注的二次能源。然而，工业副产氢或化石能源制氢中往往含有大量杂质（如CO₂、CO、CH₄、N₂等），需通过提纯技术获得高纯度氢气（通常≥99.97%）。变压吸附（Pressure Swing Adsorption,PSA）工艺作为一种成熟的氢气提纯技术，凭借其高选择性、低能耗和自动化程度高等优势，成为氢能产业链中的核心环节之一。
一、PSA工艺的基本原理
1.吸附剂的选择性吸附
PSA技术基于吸附剂对混合气体中不同组分的选择性吸附特性。在高压条件下，吸附剂活性氧化铝、分子筛（如或活性炭）优先吸附杂质气体（如CO₂、CH₄），而氢气因分子量小、极性低，几乎不被吸附，从而实现氢气的富集。
2.压力变化的循环机制
工艺通过周期性改变系统压力实现吸附剂再生：
吸附阶段：原料气在高压（通常1.53.0MPa）下进入吸附塔，杂质被吸附剂捕获，氢气作为产品输出。
解吸阶段：压力降至常压或抽真空，吸附剂释放杂质，完成再生。
多个吸附塔交替运行，确保连续生产。
二、PSA工艺流程的关键环节
1.预处理系统
原料气需经过除尘、脱水等预处理，避免吸附剂中毒或性能下降。例如，采用前置活性炭过滤器去除油雾，通过冷凝分离降低露点。
2.吸附塔设计与配置
塔体结构：通常采用412塔并联，通过时序控制实现连续运行。
吸附剂分层填充：底层为活性氧化铝（除水），中层为分子筛（吸附CO、CH₄），顶层为专用吸附剂（针对特定杂质优化）。
3.工艺参数优化
吸附压力：根据原料气组成调节，压力过高可能增加能耗，过低则降低吸附效率。
循环周期：典型周期为515分钟，需平衡氢气回收率与吸附剂利用率。
冲洗与均压步骤：通过塔间气体均压降低氢气损耗，提升回收率至85%-92%。
三、PSA技术的核心优势
1.高产品纯度与适应性
可处理含氢量15%-90%的原料气，产出氢气纯度达99.999%，满足燃料电池车用氢标准（GB/T372442018）。
2.低能耗与经济性
相比深冷分离或膜分离技术，PSA单位氢气能耗仅为0.20.4kWh/Nm³，且设备维护成本低。
3.环境友好性
无化学试剂消耗，解吸废气（含CO₂、CH₄）可通过回用或燃烧处理，减少碳排放。
四、工业应用案例分析
1.焦炉煤气提氢
某钢铁企业采用12塔PSA装置，处理气量50000Nm³/h，将焦炉煤气（含氢55%-60%）提纯至99.99%，氢气回收率超90%。
2.甲醇重整制氢系统
耦合甲醇重整反应器与PSA单元，实现分布式制氢，产品气纯度达燃料电池级（CO含量＜0.2ppm）。
3.绿氢耦合场景
在电解水制氢中，PSA用于去除残余水蒸气与微量氧气，保障质子交换膜燃料电池（PEMFC）用氢安全。
五、技术挑战与发展趋势
1.当前技术瓶颈
吸附剂寿命受原料气杂质影响，频繁再生可能导致粉化。
对微量硫化物（如H₂S）敏感，需强化预处理。
小型化设备成本较高，制约分布式应用。
2.创新方向
吸附剂材料升级：开发金属有机框架（MOFs）等新型材料，提升对CO₂/N₂的选择性。
智能化控制：引入AI算法优化压力曲线与切换时序，能耗可进一步降低10%-15%。
模块化设计：通过标准化吸附塔单元，降低中小规模装置的投资成本。
PSA变压吸附工艺作为氢能提纯的主流技术，在规模化生产与分布式场景中均展现出显著优势。随着吸附材料创新与系统集成技术的进步，PSA将在绿氢制备、工业副产氢回收等领域发挥更大作用，助力全球氢能产业高质量发展。
