基于水气变换（WGS）和中温CO₂吸附耦合的反应分离技术可以通过一步净化从富氢气体中制取高纯氢,避免了净化过程中的气体显热损失和热再生能耗,对缓解我国碳排放压力、发展氢燃料电池能源系统和降低煤化工制氢能耗均具有重要的科学价值和战略意义。本文针对钾修饰镁铝水滑石富氢气体CO/CO₂净化技术,分别从吸附模型开发和机理分析、反应器和过程设计、系统工艺优化和能耗分析等不同尺度进行了研究,为下一步的中试放大提供理论依据。首先,本文提出了一种基于静态床的真实高压吸附动力学测试方法,避免了常规表征设备中驱替效应对测试结果造成的误差。以此为基础探讨了钾修饰镁铝水滑石在300～450°C,0.1～2.0 MPa下的吸附动力学,并建立Elovich型吸附/解吸非平衡动力学模型对结果进行描述;另一方面,使用原位表征手段揭示了钾修饰镁铝水滑石的中温CO₂吸附机理,发现K⁺离子和Mg/Al比具有协同作用。钾修饰镁铝水滑石表面在吸附CO₂后主要形成可逆的双齿碳酸盐,但当Mg/Al比低于2时还会形成结合力更强的单齿碳酸盐,从而具有微量CO₂净化能力。为了增强钾修饰镁铝水滑石的CO₂吸附性能,在共沉淀合成过程中引入有机溶剂洗涤法,通过剥离水滑石纳米层板暴露出更多的CO₂吸附位点并提高了K⁺离子分散度。在反应器尺度层面,探讨了在加入高温WGS催化剂后吸附塔的微量CO/CO₂净化能力,系统研究了吸附温度、压力、原料气CO浓度,平衡气种类、水气比等对净化深度的影响规律和吸附塔的自净能力。证明了复合系统的残余CO浓度主要取决于吸附剂的CO₂热力学平衡分压,并且当吸附剂/催化剂填料体积比为5时可以从5%～20%降低到10 ppm,满足燃料电池的进气标准。搭建了综合考虑CO₂吸附和WGS催化动力学、吸附塔的传质、动量传递和动态边界条件的复合系统模型。使用所获得的实验数据对模型进行拟合,并对17组不同操作工况进行预测。为了实现连续的制氢过程,搭建耦合了8塔13步和2塔7步工艺的两段式中温变压吸附（ET-PSA）系统,通过引入高压蒸汽冲洗和低压蒸汽清洗步骤实现了H₂回收率（>95%）和H₂纯度（>99.999%）的双高。蒸汽是ET-PSA的主要能耗来源,通过将第二段ET-PSA的尾气用于第一段ET-PSA清洗气可以将总水耗比降低到0.451。将ET-PSA系统应用于整体煤气化燃料电池系统,估算得到中温CO/CO₂净化能耗为1.11～1.13 MJ/kg,相比传统的Selexol法降低了35.1%～36.2%。