PSA变压吸附：一个美国人1960年的专利，如何成了中国煤化工的"氢气心脏"

煤化工技术观察 · ｜ 从UOP的1966专利，到西南院的上千套装置，再到榆林化学48万标方/小时

在煤化工的流程图里，PSA变压吸附往往是那个"看不见的心脏"。

煤气化出来的粗合成气，经过耐硫变换，里头混着氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢、氮气……下游要拿氢气去合成乙二醇、合成氨、加氢制油，对纯度要求极高——通常要到99.9%以上。把这些杂质"筛"掉，靠的就是PSA。

它不像气化炉那样庞大显眼，也不像空分装置那样动辄十几亿投资，但它卡在流程的咽喉位置：回收率低一个百分点，一年就白扔上亿方氢；开不动，整套装置就停摆。这项技术，起点在美国；终点，在中国煤化工现场。

一一句话讲清PSA

PSA（Pressure Swing Adsorption，变压吸附）的原理朴素得近乎"笨"：利用不同气体在吸附剂上的吸附能力差异，靠"加压吸附、减压解吸"的循环，把目标气体和杂质分开。

在氢气提纯里，吸附剂（通常是铝胶、活性炭、分子筛的级配组合）对CO、CO₂、CH₄、H₂S等杂质"情有独钟"，而氢气几乎不被吸附。于是：高压下，杂质被"扣留"在吸附塔；减压时，杂质脱附排出，塔再生，下一个周期继续。

几个关键特征让它成为提氢主流：

• 室温操作，再生不靠加热，省能耗；

• 纯度高（煤化工通常99.9%），回收率80%~90%；

• 设备简单、开停车方便、自动化程度高，可无人值守。

对比另两条路线：深冷法（低温精馏）适合特大规模但能耗高、启动慢；膜分离适合中小规模、纯度有限。PSA在中等规模、高纯度、快启停上综合最优——这正是煤化工和炼厂的典型场景。

二起源：从1950年代的分子筛到UOP的1966专利

PSA的故事，得从分子筛说起。

1950年代，联合碳化物（Union Carbide）开发出合成沸石（分子筛），这才让"用固体吸附剂选分气体"成为可能。1960年，工程师Skarstrom提交了PSA专利：用5A沸石分子筛、两塔装置，从空气中分离出富氧。这被公认为PSA的诞生。

真正把PSA推向氢气提纯工业化的，是UOP（后并入霍尼韦尔）。1966年，UOP发明了Polybed PSA氢气提纯技术，全球第一套PSA装置同年开车。1979年，UOP凭此项发明拿下美国Kirkpatrick化工成就奖。

此后半个世纪，UOP是PSA的"定义者"：它既是PSA工艺的发明者，也是PSA专用分子筛吸附剂的发明者。其吸附剂能让老装置在装填量不变的情况下产量提升50%以上。截至2014年，UOP授权的第1000套氢气提纯装置在阿布扎比鲁韦斯炼厂投建；多年累计交付超1000套，覆盖70多个国家。

很长一段时间里，"大型PSA=进口"是行业默认的潜规则。

三中国的起点：西南院如何捅破这层窗户纸

中国的PSA技术，源头在化工部西南化工研究设计院（今中化旗下西南院）。它是我国变压吸附技术领域的创立者和工程化集大成者。

转折点在1994年：西南院的PSA技术中标浙江镇海炼化大型PSA装置，打破国外垄断。这一步，中国PSA从"买"走向"造"。而将这项技术推向产业化、并送进资本市场的，是西南院后来发起上市的四川天一科技（天科股份，600378）。

天科股份在2019年更名为昊华科技（中国昊华化工集团，实控人中国中化）。其PSA技术先后两次获国家科技进步奖一等奖，拥有近30项国家发明专利；早年国内市场占有率约40%~50%，被列为国际PSA工程技术领域"三巨头"之一。

更关键的是规模与出口：截至近年，西南院与天科已建成各类PSA提氢装置上千套；2013年，天科向文莱出口一套18万Nm³/h单系列PSA提氢装置，服务浙江恒逸（文莱）项目——中国PSA第一次成体系地"走出去"。

四煤化工的"氢气心脏"：几个标志性工程

PSA在煤化工的存在感，是用一套套巨型装置堆出来的。

• 榆林化学：48万标方/小时。2022年9月，陕煤榆林化学180万吨/年乙二醇工程配套的特大型PSA制氢装置开车成功，产氢能力48万Nm³/h，是当时全球最大的煤制氢PSA装置。采用西南院大型化PSA专利技术，相比国外同类装置氢气回收率提高约3%——折算下来，每小时增产氢约1.6万方，按年操作8000小时算，每年多产氢1.28亿方、减煤约8.96万吨、减CO₂约22万吨。

• 恒逸吐鲁番：79.2万标方/小时。恒逸能源科技（吐鲁番）240万吨/年煤制乙二醇项目，配套PSA制氢装置总处理规模79.2万Nm³/h，由汉兴能源承担设计，分4个系列、单系列19.8万Nm³/h，2026年9月通过90%模型审查——这是全球最大单体煤制乙二醇项目的"心脏单元"。

• 裕龙石化：105万标方/小时装置群。2025年10月，西南院承建的裕龙石化炼化一体化PSA制氢装置群全部投运，由4套炼厂气PSA、1套高压煤制氢PSA、1套高压重油制氢PSA组成，总产氢105万Nm³/h，年产99.9%高纯氢75万吨，被称为全球最大变压吸附制氢装置群。

• 独山子塔里木：12万标方/小时。2026年7月，西南院成套技术的12万Nm³/h PSA及膜耦合氢回收装置在独山子石化塔里木120万吨/年乙烯项目开车成功，服务"绿电直连+蓝氢+蓝氨"低碳链。

从千方级到48万方级，从炼厂到煤化工，PSA的"中国尺度"还在长大。

五国产化的三道关：吸附剂、程控阀、控制系统

PSA看着原理简单，门槛却在三个"卡脖子"部件：

① 吸附剂。PSA的心脏是吸附剂。西南院自研的高性能吸附剂（杂质吸附量大、解吸效率高），是榆林化学、裕龙石化项目能在回收率上反超国外约3%的底气。吸附剂配方，是各家的核心机密。

② 程控阀。PSA靠吸附塔周期切换工作，阀门要经得起几十万次频繁启闭、零泄漏。神华煤制油PSA项目172台阀门经专家组检验全部零泄漏；汉兴能源自研平板程控阀做到"万次无泄漏"。一台阀漏了，整套纯度就崩。

③ 控制系统。全自动、自适应调节、故障自诊断，才能无人值守长周期运行。大型装置还要解决吸附塔布置、管道应力、组态优化等系统工程问题——12塔4组、平滑6/12塔切换这类创新，才是"大型化"的真正难处。

这三关过了，煤化工PSA才从"能用"到"好用、敢用"。

六格局与未来

今天的国产PSA，玩家清晰：

• 西南院（中化旗下）：技术源头，大型煤化工/炼厂项目主力；

• 昊华科技（原天科股份）：产业化平台，千套级工程经验，出口先行；

• 汉兴能源：民营头部，几百套PSA装置业绩，覆盖煤制氢、炼厂气、焦炉气；

• 北大先锋等：在制氧、CO分离等细分路线各有优势。

需求侧更旺。据国家能源局《中国氢能发展报告（2025）》，2024年我国氢气产能超5000万吨/年，其中煤制氢约2800万吨/年；PSA是工业氢提纯的主导路线。据第三方研究机构测算，中国PSA氢气提纯设备市场已步入数十亿美元量级，并有望在2030年代保持7%以上的年复合增速。

新方向已经打开：绿氢耦合PSA给电解水制氢做终端纯化；CCUSPSA提浓CO₂；电子特气超高纯氢至99.9995%。从"买UOP的技术"到"向文莱、东南亚、一带一路输出装置"，PSA的逆袭，是中国煤化工装备国产化的一个缩影。

本文数据据公开资料整理。关键信源：环球网/中国日报（榆林化学48万方PSA，2022.09）、煤化工信息网（恒逸吐鲁番、独山子项目）、科普中国/科技日报（裕龙石化装置群，2025.10）、霍尼韦尔UOP及Scribd技术综述（PSA起源与UOP 1000+套）、MoneyDJ/东方财富/百度百科（天科股份→昊华科技、市占率与国家科技进步奖）、国家能源局《中国氢能发展报告（2025）》（2024氢气产能）。市场规模数据来自第三方研究机构测算，口径不一，仅供参考。"全球最大"等表述均按项目开车时点的公开报道引用。