钮朝阳，江南，沈圆辉，吴统波，刘冰，张东辉

（天津大学化工学院，化学工程研究所，化学工程联合国家重点实验室，天津300350）

引 言

氢能具有清洁、高效、可持续发展等特点，是21世纪最具发展潜力的清洁能源之一，是未来能源战略的关键[1−2]。目前，工业上生产高纯氢气的最常见方法是通过蒸汽甲烷重整法（steam methane reforming，SMR）[3]，该方法获得的重整气（SMR−off gas,SMROG）压力约为22 bar（1 bar=105Pa），主要组成包括75%～80%的H2，15%～25%的CO2，1%～5%的CH4，0.1%～1%的CO以及痕量的N2[4]。变压吸附（pressure swing adsorption, PSA）分离过程具有原理简单、控制方便、自动化程度高、能量消耗低等优点[5−6]，在利用SMROG 制备氢气的领域已有大量的研究工作。Sircar 等[4,7]采用PSA 与纳米孔表面流动膜相结合的工艺，从SMROG 中回收氢气，结果表明PSA 工艺能够获得77.6%的H2回收率，而通过表面流动膜从PSA 的尾气中回收H2，可将回收率提升至84%。Lopes等[8]选用活性炭作为吸附剂，进行了H2−CO2−CO−CH4−N2五组分的穿透实验，并进行单塔十步真空变压吸附（vacuum pressure swing adsorption, VPSA）提氢的实验，该VPSA 装置所得氢气纯度为99.981%，回收率81.6%，生产能力为101 mol·kg−1·d−1。Golmakani 等[9]为探究杂质含量对于体系分离的影响，采用活性炭和5A分子筛作为吸附剂，建立了四塔十六步VPSA 工艺，并模拟了考虑的几种杂质组成，模结果表明5A分子筛除氮气这一杂质效率不高，进料组成中N2含量为3.1%的情况比含量为1.1%的情况单位能耗高55%，氢气回收率低8%，最终得出N2为使用VPSA工艺从SMR中提氢的关键杂质，需要开发性能更加优良的吸附剂以除去N2。Golmakani 等[10]根据实验得到的五种组分的穿透曲线，选用活性炭和5A 分子筛作为吸附剂，分别设计了四塔八步PSA，四塔九步VPSA 和变温吸……