專(zhuān)利名稱(chēng)：生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的方法及裝置，更具體地涉及一種流化床工藝生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法及裝置。
背景技術(shù)：
多晶硅生產(chǎn)工藝除了傳統(tǒng)的改良西門(mén)子法之外，還有流化床法、物理法等。由于流化床工藝能耗更低，其也被看作是改良西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)工藝最有力的替代。流化床工藝是將加熱后的多晶硅顆粒作為籽晶輸送到反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)通入含硅氣體或/和氫氣， 含硅氣體或/和氫氣在多晶硅顆粒表面發(fā)生熱分解或還原，產(chǎn)生單質(zhì)硅并沉積在顆粒表面；在反應(yīng)器下部將部分粒徑為0. 1 IOmm的多晶硅顆粒作為產(chǎn)品取出；在反應(yīng)區(qū)上部， 加入作為晶種的直徑為0. 01 1. Omm的多晶硅細(xì)顆粒以維持反應(yīng)器內(nèi)多晶硅顆粒的量。該發(fā)明技術(shù)具有反應(yīng)器連續(xù)操作且運(yùn)行周期長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。但普通流化床工藝在生產(chǎn)粒狀多晶硅的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粒徑極細(xì)的硅粉(粒徑小于10 μ m。在基于鹵代硅烷反應(yīng)系統(tǒng)的流化床內(nèi)，細(xì)硅粉易吸附鹵代硅烷并隨產(chǎn)品粒狀多晶硅排出，造成最終產(chǎn)品中鹵素雜質(zhì)超標(biāo)，同時(shí)由于細(xì)硅粉的生成，須控制流化床反應(yīng)器內(nèi)的進(jìn)氣量，降低細(xì)硅粉被尾氣夾帶之流化床后端管道內(nèi)所造成的危害，這導(dǎo)致產(chǎn)品粒狀多晶硅的平均粒徑下降，反應(yīng)器產(chǎn)率降低。為了提高流化床產(chǎn)率并提高產(chǎn)品粒徑，本發(fā)明采取加大原料氣和輔助氣進(jìn)料量的方式，使進(jìn)氣量達(dá)到最小流態(tài)化速度的40 50倍，從而一方面獲得粒徑更大的產(chǎn)品粒狀多晶硅，而另一方面將生成的細(xì)硅粉帶入流化床頂部擴(kuò)大段，降低由于鹵代硅烷吸附造成的產(chǎn)品雜質(zhì)污染，而為了避免細(xì)硅粉進(jìn)入后端管道，在流化床頂部擴(kuò)大段增設(shè)鹵化氫進(jìn)料管， 通入鹵化氫氣體，使細(xì)硅粉在高濃度鹵化氫氣體內(nèi)被反應(yīng)重新生成鹵代硅烷并隨尾氣排出反應(yīng)器，可達(dá)到元素循環(huán)利用的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的方法及其相關(guān)裝置，該方法通過(guò)在流化床頂部擴(kuò)大段通入鹵化氫氣體將反應(yīng)器內(nèi)生成的細(xì)硅粉反應(yīng)生成鹵代硅烷，增加流化床原料進(jìn)氣量，從而使反應(yīng)器達(dá)到更大的產(chǎn)率，并消除細(xì)硅粉對(duì)產(chǎn)品及系統(tǒng)的危害。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下—種采用流化床工藝生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的方法，其特征在于它在流化床反應(yīng)器底部原料進(jìn)氣口通入氫氣與含硅氣體作為原料混合氣并由輔助氣進(jìn)氣口通入氫氣作為流態(tài)化氣體，原料混合氣與輔助氣通過(guò)氣體分布盤(pán)進(jìn)入流化床內(nèi)；硅籽晶由位于流化床上部的硅籽晶加料口加入流化床內(nèi)，反應(yīng)生成的粒狀多晶硅由下部的粒狀硅出料口排出；在硅籽晶加料口以上的位置通過(guò)鹵化氫進(jìn)氣管通入鹵化氫氣體，與被夾帶至擴(kuò)大段的細(xì)硅粉進(jìn)行反應(yīng)生成鹵代甲硅烷并隨尾氣從尾氣出口排出。
其中，所述含硅氣體優(yōu)選地為商代甲硅烷，特別優(yōu)選地為三氯甲硅烷或三溴甲硅焼。其中，所述原料混合氣中氫氣與所述含硅氣體的摩爾比為1 0.4 1 5，原料混合氣被加熱至250 350°C后通入流化床反應(yīng)器。其中，所述作為流態(tài)化氣體的氫氣被加熱至400 1000°C后通入流化床反應(yīng)器。其中，所述含硅氣體和所述氫氣中所含的雜質(zhì)分子比例小于0. Ippm0其中，所述硅籽晶具有不低于目標(biāo)產(chǎn)品的純度和電阻率，粒徑為10 1000 μ m。其中，所述流化床反應(yīng)器下部直筒段溫度為700 1000°C。其中，所述流化床反應(yīng)器內(nèi)壓力為0. 1 lObar，優(yōu)選地為0. 8 2bar。其中，所述由鹵化氫進(jìn)氣管通入的鹵化氫氣體優(yōu)選地為氯化氫或溴化氫，所述鹵化氫進(jìn)氣管的位置在擴(kuò)大段溫度區(qū)間為250 550°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選地為300 400°C范圍。其中，所述鹵化氫進(jìn)氣管通入的鹵化氫氣體溫度范圍為50 550°C，優(yōu)選地為 150 350 。一種用于生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的流化床裝置，其特征在于它的殼體分為下部直筒段和上部擴(kuò)大段，直筒段底部設(shè)有氣體分布盤(pán)，氣體分布盤(pán)底部連接原料氣進(jìn)氣口、輔助氣進(jìn)氣口以及粒狀硅出料口 ；殼體上部側(cè)方設(shè)有硅籽晶加料口和鹵化氫進(jìn)氣管，頂部設(shè)有尾氣出口。其中，所述殼體內(nèi)部設(shè)有加熱設(shè)備，優(yōu)選地采用電加熱線圈或輻射加熱。其中，所述殼體的直筒段內(nèi)壁設(shè)有石墨內(nèi)襯。其中，所述石墨內(nèi)襯表面優(yōu)選地鍍有高硬度涂層，優(yōu)選地采用氮化硅、碳化硅、氮化硼或氮化鈦等材料制備涂層。其中，所述氣體分布盤(pán)表面優(yōu)選地鍍有高硬度涂層，優(yōu)選地采用氮化硅、碳化硅、 氮化硼或氮化鈦等材料制備涂層。其中，所述籽晶加料口設(shè)在殼體上部，優(yōu)選地設(shè)在殼體直筒段頂部，加料口內(nèi)優(yōu)選地鍍有高硬度涂層，優(yōu)選地采用氮化硅、碳化硅、氮化硼或氮化鈦等材料制備涂層。其中，所述鹵化氫進(jìn)氣管設(shè)在殼體上部，位于所述硅籽晶加料口上方，優(yōu)選地設(shè)在殼體擴(kuò)大段處。其中，所述鹵化氫進(jìn)氣管連接在所述殼體內(nèi)部環(huán)管上，所述環(huán)管內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有噴嘴，所述噴嘴方向?yàn)樗交蛐毕蛏?。其中，所述殼體擴(kuò)大段內(nèi)壁材質(zhì)及所述環(huán)管材質(zhì)采用高硬度耐腐蝕合金制成。有益效果采用本發(fā)明所述的方法及裝置生產(chǎn)粒狀多晶硅，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)提高了流化床反應(yīng)器的進(jìn)料量，獲取更大粒徑的粒狀多晶硅，提高單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)率；2)降低產(chǎn)品中鹵素雜質(zhì)污染，提高產(chǎn)品純度；3)消除細(xì)硅粉夾帶至流化床后端管道而產(chǎn)生的危害。


圖1是本發(fā)明所涉及的流化床生產(chǎn)粒狀多晶硅過(guò)程示意圖。其中，1、殼體；2、原料氣進(jìn)氣口 ；3、輔助氣進(jìn)氣口 ；4、粒狀硅出料口 ；5、氣體分布盤(pán)；6、粒狀多晶硅；7、硅籽晶加
4料口 ；8、鹵化氫進(jìn)氣管；9、細(xì)硅粉；10、尾氣出口。圖2是本發(fā)明所涉及的鹵化氫進(jìn)氣環(huán)管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，801、環(huán)管；802、噴嘴。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明中的方法及裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但這些實(shí)施例僅僅是例示的目的，并不旨在對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行任何限定。實(shí)施例參見(jiàn)圖1，圖1是本發(fā)明中涉及的流化床生產(chǎn)粒狀多晶硅過(guò)程示意圖。它包括殼體1、原料氣進(jìn)氣口 2、輔助氣進(jìn)氣口 3、粒狀硅出料口 4、氣體分布盤(pán)5、粒狀多晶硅6、硅籽晶加料口 7、鹵化氫進(jìn)氣管8、細(xì)硅粉9和尾氣出口 10。殼體1下部直筒段底部固定在氣體分布盤(pán)5上，氣體分布盤(pán)5下部連接原料氣進(jìn)氣口 2和輔助氣進(jìn)氣口 3，加熱至約300°C的原料混合氣通過(guò)原料氣進(jìn)氣口 2進(jìn)入流化床內(nèi)，加熱至約700 800°C的純氫氣通過(guò)輔助氣進(jìn)氣口 3經(jīng)過(guò)氣體分布盤(pán)5的內(nèi)部孔道進(jìn)入流化床內(nèi)，直筒段上部側(cè)面連接硅籽晶加料口 7，加熱至約700 900°C的純度約為8 9N， 粒徑為100 500μπι的硅籽晶由硅籽晶加料口 7通入流化床，與氣體在直筒段內(nèi)接觸并形成流態(tài)化床層，直筒段內(nèi)壁加熱線圈加熱至約1000°C，粒徑達(dá)到約3 6mm的粒狀多晶硅6 從粒狀硅出料口 4排出流化床反應(yīng)器；殼體1上部擴(kuò)大段側(cè)面連接鹵化氫進(jìn)氣管8，頂部連接尾氣出口 10，鹵化氫進(jìn)氣管8連接位于擴(kuò)大段內(nèi)部的環(huán)管801，加熱至約300°C的鹵化氫氣體通入鹵化氫進(jìn)氣管8進(jìn)入如圖2所示的環(huán)管801并由噴嘴802噴入擴(kuò)大段內(nèi)，與被夾帶至擴(kuò)大段的細(xì)硅粉9反應(yīng)生成鹵代硅烷，并與主體氣流由尾氣出口 10排出。尾氣排出后經(jīng)過(guò)分離得到氫氣、鹵化氫及多種鹵代硅烷，可循環(huán)利用物料。具體實(shí)施條件1)流化床直筒段直徑為lm，高6m，擴(kuò)大段直徑為2. 5m,高8m。2)硅籽晶加料口位于直筒段頂部，鹵化氫進(jìn)氣管位于擴(kuò)大段距頂部5m處。3)流化床內(nèi)壓力為^ar。4)原料混合氣采用三氯甲硅烷與氫氣混合，三氯甲硅烷流量為5m3/h，氫氣流量為 10m3/h，輔助氣體采用純氫氣，流量為20m3/h。5)頂部通入氯化氫氣體，流量約為20m3/h。6)硅籽晶采用純度為9N的多晶硅制備，粒徑為150 500 μ m。7)流化床啟動(dòng)時(shí)先通入輔助氣體，對(duì)FBR內(nèi)進(jìn)行吹掃和升溫，輔助氣體流量最終調(diào)節(jié)至20m3/h。從硅籽晶加料口加入籽晶，穩(wěn)定后開(kāi)啟流化床直筒段的電加熱組件進(jìn)行加熱，溫度升至約1000°C時(shí)，開(kāi)始通入原料混合氣并在頂部開(kāi)始通入氯化氫，待流化床直筒段內(nèi)頂部與底部壓差穩(wěn)定后可開(kāi)始從出料口取出產(chǎn)品粒狀硅。連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)100小時(shí)，總共投入籽晶約100kg，由出料口中得到約230kg產(chǎn)品，單程轉(zhuǎn)化率約為21%，產(chǎn)品平均粒徑為 4 5mm，總產(chǎn)量約為130kg，單位電耗約為^kWh/kg，純度為8N。運(yùn)行100小時(shí)后檢測(cè)后端管道，無(wú)硅粉沉積。上述實(shí)施例中，使用較大的流化床進(jìn)氣量將反應(yīng)形成的細(xì)硅粉帶至流化床擴(kuò)大段，并通入高濃度氯化氫與細(xì)硅粉反應(yīng)，消除細(xì)硅粉對(duì)后端管道的危害，同時(shí)獲得粒徑較大的產(chǎn)品粒狀多晶硅，并且由于消除了吸附有較多氯硅烷的細(xì)硅粉夾雜在產(chǎn)品中，所獲得的產(chǎn)品純度也較高。 盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是， 可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采用流化床工藝生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，包括向流化床反應(yīng)器內(nèi)通入作為原料氣體的含硅氣體和氫氣，以及所述原料氣體在加有籽晶的流化床反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)生成粒狀多晶硅的步驟，其特征在于所述流化床反應(yīng)器的上部擴(kuò)大段部分設(shè)有含鹵氣體進(jìn)氣口，所述含鹵氣體與被夾帶至擴(kuò)大段的細(xì)硅粉反應(yīng)生成鹵代甲硅烷并隨尾氣從尾氣出口排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述原料氣體由流化床反應(yīng)器底部原料氣進(jìn)氣口通入，作為輔助氣的氫氣或惰性氣體由輔助氣進(jìn)氣口通入，所述原料氣體與所述輔助氣通過(guò)氣體分布盤(pán)進(jìn)入流化床反應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含硅氣體為氯硅烷、溴硅烷中的任意一種，優(yōu)選地為三氯甲硅烷、三溴甲硅烷中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含鹵氣體為氯氣、 氯化氫、溴氣、溴化氫中的任意一種，優(yōu)選地為氯化氫或溴化氫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述流化床反應(yīng)器內(nèi)壓力為0. 1 lobar。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述流化床反應(yīng)器的下部直筒段內(nèi)溫度為700 1000°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含鹵氣體進(jìn)氣管的位置設(shè)在流化床反應(yīng)器的上部擴(kuò)大段溫度區(qū)間為250 550°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選地為300 400°C范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含鹵氣體進(jìn)氣管通入的含鹵氣體溫度范圍為50 550°C，優(yōu)選地為150 350°C。
9.一種用于生產(chǎn)粒狀多晶硅的流化床裝置，其特征在于裝置殼體(1)包括下部直筒段和上部擴(kuò)大段，直筒段底部設(shè)有氣體分布盤(pán)(5)，氣體分布盤(pán)( 下部連接原料氣進(jìn)氣口 O)、輔助氣進(jìn)氣口( 以及粒狀硅出料口(4)；殼體(1)上部擴(kuò)大段設(shè)有硅籽晶加料口(7) 及含鹵氣體進(jìn)氣管(8)，殼體(1)頂部設(shè)有尾氣出口(10)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流化床裝置，其特征在于所述硅籽晶加料口(7)優(yōu)選地位于所述殼體(1)直筒段頂部或擴(kuò)大段底部。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流化床裝置，其特征在于所述含鹵氣體進(jìn)氣管(8)位于所述籽晶加料口(7)以上的位置，優(yōu)選地設(shè)在所述殼體(1)擴(kuò)大段上。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述含鹵氣體進(jìn)氣管(8)連接在所述殼體(1)內(nèi)部環(huán)管(801)上，所述環(huán)管(801)內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有噴嘴(802)，所述噴嘴(802)方向?yàn)樗交蛐毕蛏稀?br> 全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種采用流化床工藝生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法及裝置，通過(guò)將氯化氫從流化床頂部擴(kuò)大段通入流化床反應(yīng)器，所述氯化氫與生產(chǎn)粒狀硅過(guò)程中生成的細(xì)硅粉反應(yīng)生成氣體氯硅烷，從而消除細(xì)硅粉進(jìn)入流化床后端管道對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)消除了細(xì)硅粉夾帶，從而提高流化床進(jìn)氣流量以提高反應(yīng)器單位產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本；同時(shí)頂部通入的氯化氫與細(xì)硅粉反應(yīng)生成氯硅烷，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)一定量的氯循環(huán)。
文檔編號(hào)C01B33/03GK102530951SQ201010603238
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者陳涵斌 申請(qǐng)人:江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司