專利名稱：多臺多晶硅還原爐的生產(chǎn)裝置及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是針對三氯氫硅的還原工段提出的一種多臺多晶硅還原爐的生產(chǎn)裝置及操作方法。
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)物和副產(chǎn)物進(jìn)入尾氣回收處理工段。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立生產(chǎn)工藝。第一，由于反應(yīng)物需要在還原爐內(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)的單程轉(zhuǎn)化率很低，因此含有大量原料氣的反應(yīng)尾氣需要進(jìn)入后續(xù)的分離提純工段進(jìn)行處理，這樣的工藝勢必會增加生產(chǎn)的成本?；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生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)裝置和相應(yīng)的操作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)裝置和相應(yīng)的操作方法，目的在于克服傳統(tǒng)技術(shù)的主要缺陷，提高多晶硅氣相沉積反應(yīng)的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率，降低了多晶硅還原爐反應(yīng)尾氣的處理成本，最終達(dá)到節(jié)能降耗的目的。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的一種多臺多晶硅還原爐的生產(chǎn)裝置，包含2臺以上的多晶硅還原爐、一臺冷卻器，一套文丘里引射裝置；文丘里引射裝置設(shè)置在總進(jìn)料管線入口端，各臺多晶硅還原爐的進(jìn)口管線分別連接在總進(jìn)料管線上，各臺還原爐的出料管線分別連接在總出料管線上，總出料管線包括兩條，一條為尾氣回收管線，另一條為可回用物料管線，各臺還原爐的出口管線通過自動控制系統(tǒng)與尾氣回收管線和可回用物料管線進(jìn)行切換連接；可回用物料管線經(jīng)過冷卻器后連接到文丘里引射裝置。多晶硅還原爐優(yōu)選為3 12臺。本發(fā)明的多臺多晶硅還原爐的操作方法，原料氣從總進(jìn)料管線分別經(jīng)由各還原爐進(jìn)口管線流入各臺還原爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)；原料氣轉(zhuǎn)化率在小于15% -20%時，此時各爐出口管線與可回用物料管線連通，各爐尾氣匯聚至可回用物料管線，經(jīng)過冷卻器降溫后，可回用氣體進(jìn)入文丘里引射裝置，與新鮮原料氣混合后進(jìn)入總進(jìn)料管線，混合原料氣經(jīng)由各還原爐進(jìn)口管線進(jìn)入各爐內(nèi)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成多晶硅；當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到15% -20%時，通過自動控制裝置將各爐出口管線切換連接到尾氣回收管線，反應(yīng)尾氣通過尾氣回收管線進(jìn)入后續(xù)的尾氣處理工段。本發(fā)明的優(yōu)點在于其一，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的形式，明顯增加了反應(yīng)物料在還原爐內(nèi)的停留時間，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立工作，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)明提出的新型工藝降低了尾氣處理量，且能對各臺還原爐的尾氣進(jìn)行統(tǒng)一分離提純，從而節(jié)約了生產(chǎn)成本，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，多臺還原爐統(tǒng)一進(jìn)料統(tǒng)一出料，簡化了工藝流程，節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了能耗。


圖I為多臺多晶硅還原爐的生產(chǎn)裝置及工藝流程示意圖。其中，1_多晶娃還原爐I，2-多晶娃還原爐11，3_多晶娃還原爐III，4-文丘里引射裝置，5-冷卻器，6-自動控制系統(tǒng)，7-新鮮原料管線，8-總進(jìn)料管線，9-尾氣回收管線， 10-可回用物料管線。
具體實施例方式以3臺多晶硅還原爐生產(chǎn)多晶硅的生產(chǎn)工藝為例，其滿足本發(fā)明技術(shù)要求的生產(chǎn)裝置及操作方法的主要技術(shù)特征描述如下如圖I所示，反應(yīng)裝置包含多晶硅還原爐I (I)、多晶硅還原爐II (2)、多晶硅還原爐111(3)、文丘里引射裝置(4)，冷卻器(5)、自動控制系統(tǒng)(6)，新鮮原料管線(7)，總進(jìn)料管線(8)、尾氣回收管線(9)、可回用物料管線(10)。3臺多晶硅還原爐的進(jìn)口管線均連接在總進(jìn)料管線(8)上，3臺還原爐的出料管線均與尾氣回收管線(9)和可回用物料管線(10) 連接，各臺還原爐實行統(tǒng)一進(jìn)料和統(tǒng)一出料。尾氣回收管線(9)與可回用物料管線(10)可通過自動控制系統(tǒng)(6)進(jìn)行切換。可回用物料管線(10)經(jīng)過冷卻器(5)后連接到文丘里引射裝置(4)，文丘里引射裝置(4)連接在總進(jìn)料管線(8)上，即新鮮原料管線(7)流出的新鮮原料氣與可回用物料在文丘里裝置內(nèi)混合后進(jìn)入總進(jìn)料管線內(nèi)，然后經(jīng)由各爐的進(jìn)口管線分別進(jìn)入各臺還原爐發(fā)生反應(yīng)生成多晶硅。對應(yīng)于上述生產(chǎn)裝置的操作方法的實施例如下體積流量為75m3/h的常溫原料氣(三氯氫硅和氫氣的摩爾比為I : I)從新鮮原料管線(7)分別經(jīng)由各爐進(jìn)口管線進(jìn)入多晶硅還原爐I (I)、多晶硅還原爐II (2)、多晶硅還原爐III (3)內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，開始時原料氣轉(zhuǎn)化率較低，反應(yīng)尾氣中仍含有大量三氯氫硅和氫氣，此時各爐出口管線與可回用物料管線(10)連通，各爐尾氣匯聚至可回用物料管線，經(jīng)過冷卻器(5)降溫后，可回用氣體進(jìn)入文丘里引射裝置(4)，與新鮮原料管線(7)流出的新鮮原料氣混合后進(jìn)入總進(jìn)料管線(8)，混合原料氣經(jīng)由各還原爐進(jìn)口管線進(jìn)入各爐內(nèi)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成多晶硅；隨著反應(yīng)的進(jìn)行， 三氯氫硅的轉(zhuǎn)化率不斷提高，反應(yīng)進(jìn)行至40小時后，利用反應(yīng)工程等相關(guān)知識可算得此時三氯氫硅的轉(zhuǎn)化率已達(dá)到15%，此時通過自動控制裝置(6)將各爐出口管線切換連接至尾氣回收管線(9)，尾氣進(jìn)入后續(xù)工段進(jìn)行回收處理。本反應(yīng)裝置中三氯氫硅的總轉(zhuǎn)化率為 33. 5%，尾氣處理量約為5250m3。為了便于說明本發(fā)明開發(fā)工藝的實際效果，本文對傳統(tǒng)多晶硅生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了簡單的計算。在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，3臺多晶硅還原爐獨立工作，設(shè)進(jìn)料的流量為25m3/h的原料(溫度為550°C )，然后分別獨立的通入到各臺多晶硅還原爐內(nèi)進(jìn)行沉積反應(yīng)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率均為10%，尾氣處理量約為7875m3。由以上實施例對比可看出，多臺多晶硅還原爐的生產(chǎn)裝置和操作方法較傳統(tǒng)多個單臺多晶硅還原爐分別生產(chǎn)相比，提高了原料氣體的轉(zhuǎn)化率，減少了反應(yīng)尾氣處理量，節(jié)約了成本，降耗了能耗。
權(quán)利要求
1.一種多臺多晶硅還原爐的生產(chǎn)裝置，其特征是包含2臺以上的多晶硅還原爐、一臺冷卻器，一套文丘里引射裝置；文丘里引射裝置設(shè)置在總進(jìn)料管線入口端，各臺多晶硅還原爐的進(jìn)口管線分別連接在總進(jìn)料管線上，各臺還原爐的出料管線分別連接在總出料管線上，總出料管線包括兩條，一條為尾氣回收管線，另一條為可回用物料管線，各臺還原爐的出口管線通過自動控制系統(tǒng)與尾氣回收管線和可回用物料管線進(jìn)行切換連接；可回用物料管線經(jīng)過冷卻器后連接到文丘里引射裝置。
2.如權(quán)利要求I所述的生產(chǎn)裝置，其特征是多晶硅還原爐為3 12臺。
3.權(quán)利要求I的多臺多晶硅還原爐的操作方法，其特征是原料氣從總進(jìn)料管線分別經(jīng)由各還原爐進(jìn)口管線流入各臺還原爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)；原料氣轉(zhuǎn)化率在小于15% -20%時， 此時各爐出口管線與可回用物料管線連通，各爐尾氣匯聚至可回用物料管線，經(jīng)過冷卻器降溫后，可回用氣體進(jìn)入文丘里引射裝置，與新鮮原料氣混合后進(jìn)入總進(jìn)料管線，混合原料氣經(jīng)由各還原爐進(jìn)口管線進(jìn)入各爐內(nèi)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成多晶硅；當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到15% -20% 時，通過自動控制裝置將各爐出口管線切換連接到尾氣回收管線，反應(yīng)尾氣通過尾氣回收管線進(jìn)入后續(xù)的尾氣處理工段。
全文摘要
本發(fā)明的多臺多晶硅還原爐生產(chǎn)裝置及操作方法，包含若干臺多晶硅還原爐、一臺冷卻器，一套文丘里引射裝置，一套自動控制系統(tǒng)和若干條物料管線。各臺還原爐的進(jìn)口管線均連接在總進(jìn)料管線上；各出口管線均同時與尾氣回收管線和可回用物料管線相連接，并可通過自動控制系統(tǒng)進(jìn)行切換；可回用物料管線經(jīng)過冷卻器后連接到文丘里引射裝置，文丘里引射裝置設(shè)置在總進(jìn)料管線前端。反應(yīng)開始時，各爐出口管線與可回用物料管線連通，反應(yīng)尾氣從可回用物料管線經(jīng)過冷卻器降溫后進(jìn)入文丘里引射裝置，與新鮮原料氣混合后進(jìn)入總進(jìn)料管線。當(dāng)轉(zhuǎn)化率升至15％-20％后，通過自動控制系統(tǒng)將各爐出口管線切換連接到尾氣回收管線，反應(yīng)尾氣進(jìn)入后續(xù)的尾氣處理工段。
文檔編號C01B33/035GK102583385SQ201210066889
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日
發(fā)明者劉春江, 周陽, 段連, 段長春, 王曉靜, 黃哲慶 申請人:天津大學(xué)