CN102030329B - 一种多晶硅生产装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多晶硅生产装置，包括三氯氢硅合成炉、三氯氢硅还原炉、四氯化硅氢化炉、三氯氢硅合成尾气回收装置和三氯氢硅还原尾气回收装置，所述四氯化硅氢化炉的尾气排出口与所述三氯氢硅合成炉的进料口连接，三氯氢硅还原尾气回收装置的进气口与三氯氢硅还原炉的出气口连接。本发明将四氯化硅氢化炉的尾气排出口与三氯氢硅合成炉的进料口连接，使四氯化硅氢化反应产生的尾气直接进入三氯氢硅合成炉，使得三氯氢硅的生成率高，多晶硅产品纯度较高，避免排出大量的杂质氯硅烷，节省了原材料，并省去了膜压机、液氯气化、氯化氢合成装置，整个生产工艺流程为四氯化硅氢化与三氯氢硅还原形成的物料闭环循环，没有废料外排，有利于环保。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产领域，具体涉及一种多晶硅生产装置，还涉及使用该多晶硅生产装置生产多晶硅的工艺。
背景技术
请参考图1，图1为传统改良西门子法多晶硅生产工艺。具体生产工艺如下：
将石英砂在电弧炉中冶炼提纯到98％，并用其生产工业硅，化学反应方程式为：SiO2+C→Si+CO2↑。
为了满足高纯度的需要，必须进一步提纯。将工业硅粉碎后与无水氯化氢在流化床反应器中发生反应，合成拟溶解的三氯氢硅，反应方程式为：Si+3HCl→SiHCl3+H2↑，反应生成的尾气为H2、HCl、SiHCl3、SiCl4、Si的气态混合物。
上述三氯氢硅合成反应产生的尾气需要进一步提纯，分解、过滤硅粉；冷凝SiHCl3、SiCl4，经多级精馏提纯后，高纯SiHCl3进入贮罐后用于后续的三氯氢硅还原工序以制备多晶硅，高纯SiCl4先存于贮罐后再进入四氯化硅氢化反应工序；气态的H2回用于四氯化硅氢化反应，HCl通过吸收、精馏、冷凝、储存、气化的工序再回用于三氯氢硅合成反应中。
三氯氢硅还原工序，采用高温还原工艺，使三氯氢硅合成工序制备的高纯三氯氢硅在氢气气氛中还原沉积生成多晶硅，化学反应方程式为：SiHCl3+H2→Si+3HCl，还原反应产生的尾气含有H2、HCl、SiHCl3、SiCl4。
同时以上工序中生成的四氯化硅经过分馏提纯后在氢化炉中的氢气气氛中发生四氯化硅氢化反应生成三氯氢硅，化学反应方程式为：SiCl4+2H2→SiHCl3+HCl。
三氯氢硅还原工序产生的尾气和四氯化硅氢化工序反应生成的尾气一起进入回收工序进行处理，冷凝SiHCl3、SiCl4，经多级精馏提纯后，高纯三氯氢硅进入贮罐后回用于三氯氢硅还原工序，高纯四氯化硅存于贮罐后回用于四氯化硅氢化反应工序；气态的H2回用于三氯氢硅还原反应，HCl通过吸收、精馏、冷凝、储存、气化的工序再回用于三氯氢硅合成反应中。
在上述多晶硅的生产工艺中，四氯化硅氢化反应的尾气与三氯氢硅还原反应的尾气一并回收，其中四氯化硅氢化反应在氢化炉中进行，氢化炉中的发热体为碳—碳复合材料或石墨，因体积较大而难以纯化，导致发热体不断向高纯系统引入大量碳和其它杂质，尾气中的气体未经过脱碳处理，就回用于与多晶硅生产密切相关的各工序中，从而影响了多晶硅的质量，且为了提高产品质量，将提高氯硅烷分馏提纯系统的排杂量，产生大量杂质氯硅烷，从而加大了原材料硅粉和液氯的消耗。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种多晶硅生产装置，还提供了使用该多晶硅生产装置生产多晶硅的工艺，使用该装置和工艺获得的多晶硅产品纯度高，质量更加稳定。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种多晶硅生产装置，包括三氯氢硅合成炉、三氯氢硅还原炉、四氯化硅氢化炉、三氯氢硅合成尾气回收装置和三氯氢硅还原尾气回收装置，所述四氯化硅氢化炉的尾气排出口与所述三氯氢硅合成炉的进料口连接，三氯氢硅还原尾气回收装置的进气口与三氯氢硅还原炉的出气口连接。
作为优选，所述三氯氢硅合成尾气回收装置的出气口处连接气体压缩机，气体压缩机的出气口与四氯化硅氢化炉的进料口连接。
作为优选，所述气体压缩机为氢压机。
一种使用所述多晶硅生产装置生产多晶硅的工艺，包括：
先进行四氯化硅氢化工序；
将四氯化硅氢化产生的尾气通入三氯氢硅合成工序；
三氯氢硅合成产生的尾气进行回收，所产合成料经过精馏提纯后使得到的高纯三氯氢硅进入三氯氢硅还原工序，高纯四氯化硅回至四氯化硅氢化工序；
高纯三氯氢硅还原制备多晶硅；
高纯三氯氢硅还原产生的尾气进行回收，精馏提纯后使得到的高纯三氯氢硅回用至三氯氢硅还原工序，高纯四氯化硅回用至四氯化硅氢化工序。
作为优选，在所述三氯氢硅合成产生的尾气进行回收的步骤中，还包括：将尾气中的氢气回收进入四氯化硅氢化工序，将氯化氢回收进入三氯氢硅合成工序。
作为优选，在所述高纯三氯氢硅还原产生的尾气进行回收的步骤中，还包括：将尾气中的氢气回收进入三氯氢硅还原工序，氯化氢回收进入三氯氢硅合成工序。
本发明将四氯化硅氢化炉的尾气排出口与三氯氢硅合成炉的进料口连接，使四氯化硅氢化反应产生的尾气直接进入三氯氢硅合成炉中，尾气中的氯化氢与硅粉生成三氯氢硅，从三氯氢硅合成炉出去的尾气经冷凝、多级精馏后，高纯三氯氢硅进入还原炉生成多晶硅，尾气中其他成分回用于各工序中。在本生产工艺中，四氯化硅氢化反应的尾气与三氯氢硅还原产生的尾气分别进行回收处理，减少了回收时冷凝、精馏的能耗，且四氯化硅氢化反应中产生的污染经过多级精馏被除去，不再进入多晶硅产品，无需增加脱碳设备，多晶硅产品纯度较高，也避免了排出大量的杂质氯硅烷，节省了原材料。用四氯化硅氢化后的尾气直接参与三氯氢硅合成反应，四氯化硅的转化率高，且四氯化硅氢化后的尾气带有0.5MPa～0.6MPa的反应压力，使三氯氢硅的合成成为加压合成，有利于三氯氢硅的生成，且由于有压力，氯化氢回用于三氯氢硅合成时能够省去传统工艺中的膜压机，并无需设置液氯气化、氯化氢合成等危险等级较高的装置，减小了生产中的安全风险。整个生产工艺流程为四氯化硅氢化与三氯氢硅还原形成的物料闭环循环，没有废料外排，有利于环保。
附图说明
图1为传统改良西门子法多晶硅生产工艺的流程示意图；
图2为本发明一种具体实施方式所提供的多晶硅生产工艺的流程示意图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供的多晶硅生产装置对传统多晶硅生产装置进行了改造，将四氯化硅氢化炉的尾气排出口与三氯氢硅合成炉的进料口连接，使四氯化硅氢化产生的尾气直接参与三氯氢硅的合成。
三氯氢硅合成炉的尾气经除尘装置后进入合成尾气回收装置，在这里尾气进行回收分离，分离出氢气和氯化氢，回收少量氯硅烷。设置气体压缩机，优选为氢压机，氢压机的出气口连接至四氯化硅氢化炉，输送氢气进入四氯化硅氢化炉中回用，氢气参与四氯化硅氢化反应，氯化氢则回用于三氯氢硅合成炉中，与四氯化硅氢化反应尾气中的氯化氢一起参与三氯氢硅的合成，因此不需要另外制备氯化氢，无需设置液氯气化、氯化氢合成等危险等级较高的装置，减小了生产中的安全风险。且由于四氯化硅氢化后的尾气带有0.5MPa～0.6MPa的反应压力，氯化氢回用于三氯氢硅合成时不需设置传统工艺中的膜压机。
冷凝的三氯氢硅和四氯化硅构成的合成料则进入合成料储罐，然后依次进入粗精馏塔和精精馏塔，提纯后分成两路：高纯的四氯化硅送入四氯化硅贮罐，四氯化硅贮罐连至四氯化硅氢化炉的进料口，将高纯四氯化硅重新输送至氢化炉中；高纯三氯氢硅进入三氯氢硅贮罐，三氯氢硅贮罐连至三氯氢硅还原炉的进料口，将高纯三氯氢硅输送至还原炉中用于生产多晶硅，生成的尾气进入还原尾气回收装置，回收分离其中的氯硅烷、氢气、氯化氢，氯化氢连接至三氯氢硅合成炉的进料口，将氯化氢回用于三氯氢硅合成工序，氢气连回至三氯氢硅还原炉的进料口，将氢气回用于三氯氢硅还原工序，排液口与分馏提纯装置连接，使三氯氢硅和四氯化硅被分离，然后分馏提纯装置分成两路分别连接至高纯四氯化硅贮罐和高纯三氯氢硅储罐，分别将高纯四氯化硅和高纯三氯氢硅进行回用。
请参考图2，图2为本发明一种具体实施方式所提供的多晶硅生产工艺的流程示意图。利用本发明提供的多晶硅生产装置生产多晶硅的具体工艺如下：初始先进行四氯化硅氢化工序，由四氯化硅为原料生产三氯氢硅，开始时需要外购四氯化硅，当整个工艺的平衡建立起来后，四氯化硅不外排进行回用，则不需再外购。
发生氢化反应后，生成三氯氢硅和氯化氢，然后将产生的尾气直接输入三氯氢硅合成反应工序中，其中氯化氢与硅粉发生反应生成三氯氢硅。由于四氯化硅氢化产生的尾气不再与三氯氢硅还原的尾气一起处理，而是直接参与三氯氢硅合成反应，这减少了尾气回收时冷凝和精馏的能耗，还提高了四氯化硅的转化率，另外传统工艺中三氯氢硅合成工序基本为常压合成，而本发明中由于四氯化硅氢化出来的尾气带有0.5MPa～0.6MPa的反应压力，致使三氯氢硅的合成为加压合成，三氯氢硅的产率较高，副产物四氯化硅较少。
三氯氢硅合成产生的尾气中含有氢气、氯化氢、三氯氢硅和四氯化硅。尾气进入合成气除尘工序，除去其中含有的硅粉等固相杂质，然后进入合成尾气回收工序进行分离和回收。将氢气回用于四氯化硅氢化反应工序中，氯化氢和四氯化硅氢化产生的尾气一起回用于三氯氢硅合成工序，氯化氢与硅粉发生反应生成三氯氢硅。
三氯氢硅合成产生的三氯氢硅和四氯化氢则继续进行分离，进入粗精馏和精精馏两级精馏提纯装置，提纯后的高纯四氯化硅回用于四氯化硅氢化工序中，高纯三氯氢硅则回用于三氯氢硅还原工序中制备多晶硅。经过两级精馏，四氯化硅氢化工序中产生的污染能够被除去，不会再进入多晶硅产品中，无需增加脱碳设备，生产出的多晶硅纯度较高，避免排出大量的杂质氯硅烷，节省了原材料。
高纯三氯氢硅在还原炉中与氢气发生反应，生成多晶硅，产生的尾气送入还原尾气回收装置进行分离回收。分离出的氢气回用于三氯氢硅还原工序中，氯化氢回用于三氯氢硅合成工序中，冷凝的三氯氢硅和四氯化硅经过精馏提纯后，高纯三氯氢硅回用于三氯氢硅还原工序中，高纯四氯化硅回用于四氯化硅氢化工序中。参与三氯氢硅还原反应的原料没有杂质污染，纯度较高，制得的多晶硅纯度较高，符合要求。
本发明提供的多晶硅生产装置及工艺，对传统的多晶硅生产工艺进行了改造，将四氯化硅氢化与三氯氢硅还原产生的尾气分别回收处理，四氯化硅氢化产生的尾气直接参与三氯氢硅的合成，制备出的合成料纯度较高，从而使多晶硅产品纯度高，并省去了液氯气化、氯化氢合成等危险等级较高的装置，且整个生产工艺流程为四氯化硅氢化与三氯氢硅还原形成的物料闭环循环，其中没有废料外排，副产物都获得了回用，既节省了原材料，又有利于环保。
以上对本发明所提供的多晶硅生产装置及工艺进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种多晶硅生产装置，包括三氯氢硅合成炉、三氯氢硅还原炉、四氯化硅氢化炉、三氯氢硅合成尾气回收装置和三氯氢硅还原尾气回收装置，其特征在于：
所述四氯化硅氢化炉的尾气排出口与所述三氯氢硅合成炉的进料口连接，三氯氢硅还原尾气回收装置的进气口与三氯氢硅还原炉的出气口连接，所述三氯氢硅合成尾气回收装置的出气口处连接气体压缩机，气体压缩机的出气口与四氯化硅氢化炉的进料口连接。
2.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，其特征在于，所述气体压缩机为氢压机。
3.一种使用权利要求1或2所述的多晶硅生产装置生产多晶硅的工艺，其特征在于，包括：
先进行四氯化硅氢化工序；
将四氯化硅氢化产生的尾气通入三氯氢硅合成工序；
三氯氢硅合成产生的尾气进行回收，所产合成料经过精馏提纯后使得到的高纯三氯氢硅进入三氯氢硅还原工序，高纯四氯化硅回至四氯化硅氢化工序；
高纯三氯氢硅还原制备多晶硅；
高纯三氯氢硅还原产生的尾气进行回收，精馏提纯后使得到的高纯三氯氢硅回用至三氯氢硅还原工序，高纯四氯化硅回用至四氯化硅氢化工序。
4.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，在所述三氯氢硅合成产生的尾气进行回收的步骤中，还包括：将尾气中的氢气回收进入四氯化硅氢化工序，将氯化氢回收进入三氯氢硅合成工序。
5.根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，在所述高纯三氯氢硅还原产生的尾气进行回收的步骤中，还包括：将尾气中的氢气回收进入三氯氢硅还原工序，氯化氢回收进入三氯氢硅合成工序。
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