專利名稱：多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是針對“改良西門子法”中三氯氫硅的還原工段提出的一種多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)及操作方法。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外生產(chǎn)多晶硅的主要工藝技術(shù)是改良西門子法。該工藝技術(shù)的核心步驟——三氯氫硅的還原反應(yīng)，是在多晶硅還原爐內(nèi)進(jìn)行的首先高純的三氯氫硅和氫氣按比例混合后通入多晶硅還原爐，然后在一定的溫度(1080°C 1150°C )和壓力下，在通電高溫硅芯上進(jìn)行沉積反應(yīng)生成多晶硅；其中，關(guān)鍵反應(yīng)物組分三氯氫硅的單爐(單臺多晶硅還原爐)單程轉(zhuǎn)化率一般為10%左右；最后剩余的反應(yīng)物作為尾氣離開還原爐，由于反應(yīng)是在高溫條件下進(jìn)行的，反應(yīng)尾氣夾帶了大量的熱量。業(yè)界普遍認(rèn)為，進(jìn)一步提高三氯氫硅的單程轉(zhuǎn)化率并有效利用反應(yīng)尾氣夾帶的能量對于降低多晶硅生產(chǎn)的物耗和能耗具有重要意義。然而，目前工業(yè)上多晶硅生產(chǎn)基本采用單臺還原爐獨(dú)立生產(chǎn)工藝。在這種傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，低溫的反應(yīng)物混合氣體首先在還原爐內(nèi)被加熱到反應(yīng)要求的溫度，然后發(fā)生沉積反應(yīng)，最后反應(yīng)剩余的氣體以很高的溫度作為尾氣排出，經(jīng)過分離提純后返回到還原爐進(jìn)一步反應(yīng)，如圖1所示。仔細(xì)分析上述工藝可以發(fā)現(xiàn)第一，由于反應(yīng)物需要再還原爐內(nèi)被加熱，為了防止被加熱的氣體未反應(yīng)即離開還原爐，反應(yīng)物的進(jìn)料流量一般較低，造成爐內(nèi)反應(yīng)物的湍動(dòng)很弱，混合的很不均勻，影響了反應(yīng)的速率和轉(zhuǎn)化率；第二，由于該反應(yīng)是氣相沉積反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為固體，且反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率很低，因此沒有必要對反應(yīng)后剩余的氣體進(jìn)行分離提純后再返回到還原爐，這樣的工藝勢必會增加生產(chǎn)的成本；第三，在該生產(chǎn)工藝中反應(yīng)尾氣的熱量沒有得到充分有效的利用，這部分熱量的浪費(fèi)實(shí)質(zhì)上等于增加了多晶硅生產(chǎn)過程中的能耗?；谏厦娴目紤]，為克服傳統(tǒng)多晶硅生產(chǎn)工藝存在的缺陷，我們結(jié)合多晶硅生產(chǎn)過程中的實(shí)際狀況，針對“改良西門子法”生產(chǎn)工藝中的三氯氫硅還原工段， 開發(fā)了一種多臺多晶硅還原爐串聯(lián)生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)和相應(yīng)的工藝流程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種多臺多晶硅還原爐串聯(lián)生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)和相應(yīng)的工藝流程，如圖2所示。該反應(yīng)系統(tǒng)和工藝流程克服了傳統(tǒng)技術(shù)的主要缺陷，可以提高多晶硅氣相沉積反應(yīng)的反應(yīng)速率和單程轉(zhuǎn)化率，大大的降低了多晶硅還原爐反應(yīng)尾氣的處理成本，并有效回收利用了尾氣中夾帶的大量能量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)，包含多臺多晶硅還原爐和一臺換熱器；其中多臺多晶硅還原爐串聯(lián)連接，除第一臺還原爐外，系統(tǒng)中其余各臺還原爐的進(jìn)料口和與之相鄰的上一臺還原爐的出料口相連，且在相連的進(jìn)料口和出料口之間連接有氫氣供應(yīng)管道；系統(tǒng)中換熱器的兩個(gè)進(jìn)口分別連接進(jìn)料管和最后一臺還原爐的出料口，兩個(gè)出口分別連接第一臺還原爐的進(jìn)料口和最終尾氣排放口。
上述的反應(yīng)系統(tǒng)中，串聯(lián)的多晶硅還原爐的臺數(shù)優(yōu)選為2 12臺。本發(fā)明的多臺多晶硅還原爐的反應(yīng)系統(tǒng)的操作方法，反應(yīng)原料三氯氫硅和氫氣的混合氣體中，三氯氫硅和氫氣的摩爾比為3 1 1 6，首先與最后一臺多晶硅還原爐排出的反應(yīng)尾氣進(jìn)行換熱，達(dá)到500 600°C后，從第一臺還原爐的原料進(jìn)口開始，順次流經(jīng)串聯(lián)的各臺多晶硅還原爐不斷反應(yīng)，然后從最后一臺多晶硅還原爐排出，經(jīng)換熱器與原料換熱后，以尾氣形式離開還原工段。上述多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的工藝流程中，除第一臺多晶硅還原爐外，其余各臺多晶硅還原爐的進(jìn)料均為與之相連的上一臺多晶硅還原爐排出的500 600°C尾氣和補(bǔ)充氫氣的混合氣體，二者混合的摩爾比為10 60。上述多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的工藝流程中，各臺還原爐的進(jìn)料流量為1 80m 3A ο本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于考慮到多晶硅生產(chǎn)過程中沉積反應(yīng)的特殊性和實(shí)際生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀，本文開發(fā)的多臺多晶硅還原爐串聯(lián)生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)和工藝流程相比于傳統(tǒng)技術(shù)，具有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。其一，傳統(tǒng)的多晶硅生產(chǎn)工藝中各臺多晶硅還原爐是獨(dú)立工作的，受到三氯氫硅還原反應(yīng)本身反應(yīng)平衡的限制，單臺還原爐的單程轉(zhuǎn)化率很低，一般為10%左右。本發(fā)明開發(fā)的新型工藝采用多臺還原爐串聯(lián)的形式，明顯增加了反應(yīng)物料在還原爐內(nèi)的停留時(shí)間， 可以將三氯氫硅的單程轉(zhuǎn)化率提高到30 40% ；其二，傳統(tǒng)的多晶硅生產(chǎn)工藝中，各臺多晶硅還原爐獨(dú)立工作，每臺還原爐出口尾氣夾帶的大量熱量沒有得到充分有效的利用，且后續(xù)的尾氣分離提純工藝會進(jìn)一步增加多晶硅生產(chǎn)的成本。本發(fā)明提出的新型工藝省去了對每臺還原爐的尾氣進(jìn)行分離提純的步驟，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本；并且，每臺還原爐的高溫出口尾氣直接作為下一臺還原爐的進(jìn)料，減少了各臺還原爐進(jìn)料加熱的能量投入，降低了多晶硅生產(chǎn)的能耗；其三，由于在這種新型的多晶硅生產(chǎn)工藝中，進(jìn)料氣體已經(jīng)得到相當(dāng)高的溫度，進(jìn)入還原爐后可以直接進(jìn)行反應(yīng)，因此進(jìn)料流量相比于傳統(tǒng)工藝可以明顯增加；進(jìn)料流量的增加會促進(jìn)還原爐內(nèi)反應(yīng)物料的湍動(dòng)，使得反應(yīng)物氣體混合的更加均勻，進(jìn)一步提高了反應(yīng)速率。


圖1 多晶硅生產(chǎn)還原工段中多臺多晶硅還原爐工作的傳統(tǒng)工藝流程示意圖；圖2 多晶硅生產(chǎn)還原工段中多臺多晶硅還原爐工作的新型工藝流程示意圖。圖示說明1 一號多晶硅還原爐；2 二號多晶硅還原爐；3 三號多晶硅還原爐； 4 四號多晶硅還原爐；5 五號多晶硅還原爐；6 六號多晶硅還原爐；7 傳統(tǒng)多晶硅生產(chǎn)工藝中多晶硅還原爐的進(jìn)料；8 傳統(tǒng)多晶硅生產(chǎn)工藝中多晶硅還原爐的出口 ；9 新型多晶硅生產(chǎn)工藝中補(bǔ)充的新鮮氫氣；10 新型多晶硅生產(chǎn)工藝中多晶硅還原爐的原始進(jìn)料；11 新型多晶硅生產(chǎn)工藝中多晶硅還原爐的經(jīng)過換熱器加熱后的進(jìn)料；12 新型多晶硅生產(chǎn)工藝中最后一臺多晶硅還原爐的直接出口尾氣；13 新型多晶硅生產(chǎn)工藝中最后一臺多晶硅還原爐的經(jīng)過換熱器降溫后的出口尾氣；14 換熱器。
具體實(shí)施例方式以6臺多晶硅還原爐并聯(lián)生產(chǎn)多晶硅的生產(chǎn)工藝為例，其滿足本發(fā)明技術(shù)要求的反應(yīng)系統(tǒng)和工藝流程的主要技術(shù)特征描述如下如圖2所示，6臺多晶硅還原爐串聯(lián)依次連接，除一號還原爐1外，系統(tǒng)中其余各臺還原爐(2、3、4、5、6)的進(jìn)料口均和與之相鄰的上一臺還原爐的出料口相連，譬如，三號還原爐3的進(jìn)料口與二號還原爐的出料口相連；此外，在相連的進(jìn)料口和出料口之間連接有管道供應(yīng)新鮮氫氣9。系統(tǒng)中換熱器14的兩個(gè)進(jìn)口分別連接進(jìn)料10和六號還原爐6的出口尾氣12，兩個(gè)出口分別連接一號還原爐1的進(jìn)料11和最終尾氣排放口 13。對應(yīng)于上述反應(yīng)系統(tǒng)的工藝流程的實(shí)施例如下體積流量為25m3/h的常溫原料 10 (三氯氫硅和氫氣的摩爾比為1 1)首先與六號多晶硅還原爐6出口排出的高溫尾氣 12 (溫度為600°C )通過換熱器14進(jìn)行熱量交換；然而經(jīng)過換熱器加熱后的進(jìn)料11 (溫度為550°C )，流量為60m3/h)進(jìn)入一號多晶硅還原爐1發(fā)生沉積反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率為12%;離開一號多晶硅還原爐1的溫度為590°C的尾氣(反應(yīng)物組分流量為52. 8m3/h)與補(bǔ)充的常溫新鮮氫氣9(體積流量為3. 6m3/h)進(jìn)行混合后，作為反應(yīng)物進(jìn)入二號多晶硅還原爐2繼續(xù)發(fā)生沉積反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率為8% ；離開二號多晶硅還原爐2的溫度為580°C的尾氣(反應(yīng)物組分流量為52. 2m3/h)與補(bǔ)充的常溫新鮮氫氣9 (體積流量為2. lm3/h)進(jìn)行混合后，作為反應(yīng)物進(jìn)入三號多晶硅還原爐3發(fā)生沉積反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率為6% ；離開三號多晶硅還原爐3的溫度為 585°C的尾氣(反應(yīng)物組分流量為51. 5m3/h)與補(bǔ)充的常溫新鮮氫氣9 (體積流量為1. 4m3/ h)進(jìn)行混合后，作為反應(yīng)物進(jìn)入四號多晶硅還原爐4發(fā)生沉積反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率為5% ；離開四號多晶硅還原爐4的溫度為595°C的尾氣(反應(yīng)物組分流量為50. 7m3/h)與補(bǔ)充的常溫新鮮氫氣9(體積流量為1. lm3/h)進(jìn)行混合后，作為反應(yīng)物進(jìn)入五號多晶硅還原爐5發(fā)生沉積反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率為4% ；離開五號多晶硅還原爐5的溫度為590°C的尾氣(反應(yīng)物組分流量為 50m3/h)與補(bǔ)充的常溫氫氣9 (體積流量為0.9m3/h)進(jìn)行混合后，作為反應(yīng)物進(jìn)入六號多晶硅還原爐6發(fā)生沉積反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率為4%，該流程中的三氯氫硅的轉(zhuǎn)化率逐漸降低是由于原料中的三氯氫硅的濃度逐漸降低，到后面幾臺還原爐，轉(zhuǎn)化率變化不是很明顯，因?yàn)榇藭r(shí)三氯氫硅的濃度變化的很少，所以轉(zhuǎn)化率依然還是在4%左右；最后，6號多晶硅還原爐排出的高溫尾氣12 (溫度為600°C )通過換熱器14與低溫原料10進(jìn)行換熱，隨后以廢料13的形式離開還原工段。為了便于說明本發(fā)明開發(fā)工藝的實(shí)際效果，本文對如圖1所示的傳統(tǒng)多晶硅生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了簡單的計(jì)算。在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，各臺多晶硅還原爐獨(dú)立工作，設(shè)進(jìn)料7的流量為25m3/h的原料(溫度為550°C )，然后分別獨(dú)立的通入到各臺多晶硅還原爐(1_6) 內(nèi)進(jìn)行沉積反應(yīng)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率均為10%，反應(yīng)后從各臺還原爐排出的尾氣8均大致為 600 0C，剩余反應(yīng)物體積流量均大致為9m3/h。綜上所述，第一，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝多晶硅還原爐的單程轉(zhuǎn)化率僅為10%，但是本發(fā)明開發(fā)的多臺多晶硅還原爐串聯(lián)生產(chǎn)工藝的單程轉(zhuǎn)化率提升到了 39% (這里所說的單程轉(zhuǎn)化率是指三氯化硅連續(xù)通過六臺多晶硅還原爐的轉(zhuǎn)化率即39%= 12% +8% +6% +5% +4% +4%之和)，這一方面原因在于補(bǔ)充的新鮮氫氣改變了三氯氫硅還原反應(yīng)的反應(yīng)平衡，促進(jìn)了三氯氫硅的轉(zhuǎn)化，另一方面，由于進(jìn)料的反應(yīng)氣體基本達(dá)到了反應(yīng)溫度的要求，所以各臺還原爐的進(jìn)料流量均得到大幅度的增加，進(jìn)一步提高了單臺多晶硅還原爐的轉(zhuǎn)化率；第二，傳統(tǒng)的單爐獨(dú)立生產(chǎn)工藝中，各臺還原爐排出的高溫尾氣夾帶了大量的熱量，但是沒有得到充分的利用，而在本發(fā)明開發(fā)的新工藝中，每臺還原爐的出口尾氣直接作為下一臺還原爐的進(jìn)料，有效合理的利用了這部分能量；第三，傳統(tǒng)工藝中，需要對各臺多晶硅還原爐的大量出口尾氣進(jìn)行分離提純處理，而我們開發(fā)了新工藝避免了這一工序，進(jìn)一步降低了多晶硅的制造成本；第四，假如將多臺多晶硅還原爐反應(yīng)系統(tǒng)中的第一臺還原爐和傳統(tǒng)操作工藝中的任何一臺還原爐進(jìn)行對比，在保證傳統(tǒng)工藝中還原爐的進(jìn)料為25m3/h不變的同時(shí)，將新型工藝中的第一臺還原爐的進(jìn)料流量提高到60m3/h，溫度均為550°C，保持不變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)工藝的轉(zhuǎn)化率仍然為10%，而新型工藝的轉(zhuǎn)化率則提升到18%。該實(shí)施例說明由于在新型反應(yīng)系統(tǒng)中，進(jìn)料得到了一定程度的加熱，使得進(jìn)料流量可以明顯增加，導(dǎo)致還原爐內(nèi)的氣相流體湍動(dòng)更加劇烈，進(jìn)而有利于轉(zhuǎn)化率的提升。
權(quán)利要求
1.一種多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)，其特征是包含多臺多晶硅還原爐和一臺換熱器；其中多臺多晶硅還原爐串聯(lián)連接，除第一臺還原爐外，系統(tǒng)中其余各臺還原爐的進(jìn)料口和與之相鄰的上一臺還原爐的出料口相連，且在相連的進(jìn)料口和出料口之間連接有氫氣供應(yīng)管道；系統(tǒng)中換熱器的兩個(gè)進(jìn)口分別連接進(jìn)料管和最后一臺還原爐的出料口， 兩個(gè)出口分別連接第一臺還原爐的進(jìn)料口和最終尾氣排放口。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)系統(tǒng)，其特征是串聯(lián)的多晶硅還原爐的臺數(shù)為2 12臺。
3.權(quán)利要求1多臺多晶硅還原爐的反應(yīng)系統(tǒng)的操作方法，其特征是反應(yīng)原料三氯氫硅和氫氣的混合氣體中，三氯氫硅和氫氣的摩爾比為3 1 1 6，首先與最后一臺多晶硅還原爐排出的反應(yīng)尾氣進(jìn)行換熱，達(dá)到500 600°C后，從第一臺多晶硅還原爐的原料進(jìn)口開始，順次流經(jīng)串聯(lián)的各臺多晶硅還原爐不斷反應(yīng)，然后從最后一臺多晶硅還原爐排出，經(jīng)換熱器與原料換熱后，以尾氣形式離開還原工段。
4.如權(quán)利要求3所述的操作方法，其特征是除第一臺多晶硅還原爐外，其余各臺多晶硅還原爐的進(jìn)料均為與之相連的上一臺多晶硅還原爐排出的500 600°C尾氣和補(bǔ)充氫氣的混合氣體，二者混合的體積流量比為10 60。
5.如權(quán)利要求3所述的工藝流程，其特征是各臺還原爐的進(jìn)料流量為1 80m3/h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)系統(tǒng)及操作方法。系統(tǒng)包含多臺多晶硅還原爐和一臺換熱器；多臺多晶硅還原爐串聯(lián)連接，除第一臺還原爐外，其余各臺還原爐的進(jìn)料口和與之相鄰的上一臺還原爐的出料口相連，且在相連的進(jìn)料口和出料口之間連接有氫氣供應(yīng)管道；系統(tǒng)中換熱器的兩個(gè)進(jìn)口分別連接進(jìn)料管和最后一臺還原爐的出料口，兩個(gè)出口分別連接第一臺還原爐的進(jìn)料口和最終尾氣排放口。本發(fā)明明顯增加了反應(yīng)物料在還原爐內(nèi)的停留時(shí)間，可以將三氯氫硅的單程轉(zhuǎn)化率提高到30～40％；省去了對每臺還原爐的尾氣進(jìn)行分離提純的步驟，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了各臺還原爐進(jìn)料加熱的能量投入，降低了多晶硅生產(chǎn)的能耗。
文檔編號C01B33/035GK102167327SQ20111008843
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者劉春江, 李雪, 段長春, 袁希鋼, 趙丹 申請人:天津大學(xué)