氢在自然界中广泛存在，是所有元素中最轻的。氢气是一种重要的工业气体，目前全球每年氢气产量约0.6亿吨。据中国氢能联盟统计，我国2018年氢气产量已达2100万吨，主要用于化工生产，换算热值占我国终端能源总量的2.7%。预计2030年我国氢气年需求将达3500万吨，2050年可达6000万吨，换算热值约占我国终端能源总量的10%。可见，氢气产业在国民经济发展中正发挥着越来越重要的作用。
氢气来源广、用途多
氢在自然界中大多以化合态存在，需要加以转化才能获得单质的氢气。规模化氢气主要来自化石原料转化和电解水制氢等，我国约97%的氢气来自煤、天然气及轻油转化，其中煤气化制氢占60%以上。工业生产也从合成氨弛放气、甲醇尾气、氯碱尾气、焦炉气以及烃类裂解尾气等工业副产氢中回收氢气。
氢气用途十分广泛，主要用于合成氨、甲醇以及石油炼制等生产过程，在电子电力、无机化工、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细化工和航空航天等领域也广泛应用。近年来，为了显著减少钢铁工业二氧化碳排放，氢气直接还原炼铁等技术应用前景看好，氢气使用量将越来越大。
近几年世界能源结构转型步伐加快，质子交换膜燃料电池规模化应用显露端倪。随着燃料电池汽车、分布式系统的发展，氢能经济备受关注。氢气作为绿色清洁的二次能源载体，预计将在未来能源供给体系中发挥重要作用。据国际氢能委员会预测，2050年将全球变暖控制在2℃以内，则氢能将占最终能源需求的18%，届时氢能源需求量是目前的10倍，发展潜力巨大。
分离提纯不可或缺
目前大规模、经济合理的氢气生产方法还是化石燃料转化法，首先获得含有多种组分的含氢混合气体，其中含有CO、CH4、CO2、烃类、硫化物和卤化物等杂质组分。为了后续生产过程安全稳定和保证产品质量，不同工业应用场景对氢气品质都有严格要求，主要体现在氢气纯度和关键杂质等指标的差异上。
除了国家标准《GB/T 3634.1—2006氢气 第1部分:工业氢》、《GB/T 3634.2—2011氢气 第2部分:纯氢、高纯氢和超纯氢》、《GB/T 16942—2009电子工业用气体 氢》和《GB∕T 37244—2018质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》规定了不同氢气的品质要求外，还要遵守不同工业生产过程对氢气品质可能具有的特别要求。所以，为满足不同应用需求，需要采用高效、经济、低碳的氢气分离纯化技术。
从含氢气体中提纯氢气，可以采用的分离方法有吸收法、深冷法、变压吸附法（PSA）、膜分离法以及金属氢化物分离法等。其中PSA提纯氢气技术具有原料气源适应性广、过程清洁节能、自动化程度高、可靠性和灵活性好、开停车方便、氢气纯度高、分离成本低、适用气源广、节能效果显著等特点，已发展为氢气提纯的主流技术。
已建成的PSA氢气提纯装置使用的原料气有变换气、煤造气、弛放气、精练气、催化裂化气、石油裂解气、焦炉煤气、氯碱尾气、有机硅尾气和多晶硅尾气等几十种，产品氢气包含工艺过程用氢、工业氢、纯氢、高纯氢、电子级氢和燃料电池用氢等，为各门类工业生产提供了大量的合格氢气，基本满足我国工业生产对氢气的需求。
PSA成效显著
我国PSA提纯氢气技术经过40多年发展，已经嵌入工业生产主流程，成为必不可少的单元操作之一。据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书2016》统计，纯度大于99%的氢气97%以上都是通过PSA方法提纯的，可见PSA提纯氢气技术在氢气提纯中的重要作用。我国已建成和在建的PSA提氢装置有数千套，单套装置产氢能力在10～480000Nm3/h，氢气纯度为99%~99.999%，行业分布广，产品种类较齐全。
1.含氢气源不断开拓
PSA提氢技术原料气主要有两大类：一类是以煤、石油、天然气为原料转化而来或以甲醇、氨裂解以及水电解得到的含氢气源；一类是工业生产过程中产生的含氢副产气。这些气源包括变换气、合成放空气、甲醇驰放气、焦炉煤气、兰炭煤气、重整气、催化干气、中变气、冷箱气、水煤气、氨裂解气和甲醇裂解气等。近年来，生物制氢、光解水制氢等可再生能源制氢气的纯化技术也在研究中，已有利用多种氢源的燃料电池用氢纯化装置投入运行。
2.吸附剂品质提升
目前开发的改性吸附剂的吸附容量大、传质阻力小、再生性能好，可提高PSA操作切换频率，缩短操作分周期时间，提高吸附剂利用率、原料气处理能力和氢气的收率，减少吸附剂用量，并可省去部分预处理工序，简化了流程，降低装置的投资。除了传统吸附剂性能提升外，还有针对性地开发一些特种吸附剂，使各种杂质组分得到定向高效脱除。在工程实践中，通过密相装填技术降低吸附罐装填体积，从而节约总投资及占地面积；而且吸附剂强度大，不易粉化，寿命长，保证装置长周期稳定运行。
3.智能化模块化设计
利用工艺流程模拟软件PROⅡ和HYSYS、三维工厂设计软件PDMS、管道应力分析软件CAESARⅡ和压力容器分析设计软件ANSYS等软件，提高工程化开发效率和装置可靠性。当前的撬装阀架可包含PSA系统需要的所有程控阀、仪表、安全阀、手动阀和管道等部件，其制造和组装均可由工厂化制作完成。模块化设计可进行实体建模，确保成品直观、设计优化、材料准确，大幅减少了现场安装工作量，缩短建设工期，实现快速且高质量的工程交付。
控制系统在实现工业化向智能化的转变过程中，加强智能专家系统的开发应用，业内已采用西门子、霍利韦尔、横河、和利时、浙大中控等PLC、DCS开发平台，根据进料流量、压力、组分等输入因素自动调整内部运行参数以满足产品纯度和回收率的需求。此外，自适应故障诊断系统可进行故障诊断切换、在线维修；控制方案的冗余设计可保证装置长周期稳定运行。
4.单套规模大型化
大型煤气化和炼油工程发展迅速，其含氢原料气的规模和操作压力不断提高，对大型PSA提氢装置提出了新要求，促进PSA工艺必须不断进步。经过几年的攻关，在吸附剂、工艺、管道、设备、自控、数学模拟和整体集成等方面取得突破，并以神华煤制油等大型PSA提氢装置运行数据为参考，产氢能力50万m3/h的PSA制氢装置已在设计中。操作压力为6.0MPa的PSA提氢装置已正常运行了多年，未来可能开发出8.0MPa操作压力的PSA制氢技术。
大型化装置的吸附塔大通径可能影响气流在床层内的分布及流动，通过采用新型气流分布器，使流场分布合理，进一步提高了吸附剂的利用效率。不同步序中可能的床层压力、温度扰动增大，系统的稳定性下降等问题，将通过多参数数学模拟对这些不确定性进行分析，提出解决方案，并通过长周期运行考验。
5.多种分离方式耦合
由于原料气不同、分离目标差异，有些工况下仅仅使用一种分离工艺不能充分利用已有资源，甚至难以达到经济合理的分离目标。因低温分离、膜分离、溶剂吸收、PSA等气体分离技术经过多年发展，技术已经成熟且各具优势和特点。针对不同工况和要求，PSA提氢技术通过与低温、吸收、膜分离等气体分离技术结合，发挥各自优势，提高氢气分离提纯效率。在特定工况下的优化集成耦合，可形成投资省、运行费用低、过程清洁的气体分离净化一体化技术。目前PSA+膜分离、PSA+低温甲醇洗等联合工艺在石化领域应用越来越多，氢气收率可达95%～98%，大大提高了资源利用率促进节能减排。