CN102485649A - 一种多晶硅氢化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多晶硅氢化炉，包括炉体(35)、视镜(7)、底盘(36)、底座(15)、电极(16)、发热体(18)、总进水口(33)、容器法兰(12)、出水口(1)、密封垫(31)螺栓(32)、内筒隔热屏(11)、进出气套管(5)、底部进出管(34)和安全阀接口(2)等部件，还包括单层隔热装置(11)、进出气套管(5)、底部进出管(34)和安全阀接口(2)；通过本发明能使多晶硅得生产实现封闭化，进一步提高了多晶硅的产量，并达到了节约成本、节约能源、降低能耗和环保的目的。

Description

一种多晶硅氢化炉
技术领域
本发明属于多晶硅生产领域，具体涉及一种多晶硅氢化炉。
背景技术
多晶硅是最主要的光伏材料，是集成电路硅衬底、新型环保能源太阳能电池的主流材料，也是生产单晶硅的直接原料，是发展信息产业和新能源产业的重要基石。目前多晶硅的生产设备多晶硅还原炉会产生大量尾气，其中的Cl4Si不好处理，而且其量很大，其量占到多晶硅生产原料的20％。如果直接将这些四氯化硅作为废物处理掉，则非常不合理，原因如下：(1)副产物Cl4SI同样消耗了原料工业硅粉和液氯，作为废物处理掉就会造成这部分原料的损失，造成多晶硅生产中物料单耗的上升，增加了多晶硅的成本；(2)将Cl4Si作为废物处理会对环境带来污染；(3)将Cl4Si作为废物处理也需要花费大量资金。因此，必需对副产物Cl4Si进行处理，这样既可以对环境不造成污染，又可降低多晶硅生产成本。
目前国内外多晶硅生产厂家均采用Cl4Si的热氢化来解决这一问题，用来提高多晶硅产量，使多晶硅实现闭环化生产。氢化炉就是用来对Cl4Si处理的专用设备，是Cl4Si反应的主要场所。但目前国内多晶硅生产厂家使用的氢化炉设备基本上依靠外国进口，其价格为国产氢化炉的10倍，且因设备结构原因多数不能正常使用。国内外均未公开多晶硅氢化炉的设计制造技术，国家也没有相关标准出台，故研制出一种结构合理、优质高效、高产出低能耗的氢化炉显得举足轻重。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构合理、优质高效、高产出低能耗的多晶硅氢化炉。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种多晶硅氢化炉，包括炉体、视镜、底盘、底座、电极、石墨接头、进出管、发热体、总进水口、容器法兰、出水口、密封垫和螺栓，其中视镜位于炉体中部，炉体和底盘之间垫有密封垫；底盘上开有电极孔和进出气孔，炉体通过容器法兰与底座夹持底盘，用螺栓固定连接；电极穿过底盘与石墨接头连接，石墨接头与发热体连接固定；此外，还包括单层隔热装置、进出气套管、底部进出管和安全阀接口，其中底盘和炉体均为水冷式结构，炉体上的内筒筒体、内筒封头以及夹套筒体、夹套封头和容器法兰之间形成炉体冷却腔，炉体冷却腔内部设置螺旋型导流板；底盘由上底板和下底板通过连接体组焊而成，上底板、下底板和连接体之间为底盘冷却水腔；在容器法兰密封面上部设置有垫片冷却腔，炉体冷却腔的总进水口设置在炉体下部，内筒筒体顶部中心连接有安全阀接口，出水口设置在与内筒封头连通的安全阀接口的夹层上；单层隔热装置置于炉体内部，放置于底盘之上，其底部与底盘的电极孔处对应开孔；发热体均匀分布在单层隔热装置的内腔内；进出气套管穿过进出管和单层隔热装置底部深入到单层隔热装置内部，进出气套管、单层隔热装置、进出管和炉体同轴心。
上述单层隔热装置所用材料为耐高温材料，其底部上均匀分布着两圈电极孔，中心开有进出气孔，顶部开有6～10个均匀分布的孔。
上述进出气套管包括上段套管、下段套管、气体分散器和隔热套管，其中下段套管为径向带有两圈圆孔的空心式结构，其外圈为一圈均匀分布的出气孔，内圈为一圈均匀分布的进气孔；下段套管底部的末端连接进气口，进气口与进气孔连通；下段套管在靠近底部处开缺口，缺口与下段套管的出气孔联通，并与出气口连通；上段套管为单圈空心结构，径向均匀分布一圈进气孔，且上段套管的进气孔与下段套管的进气孔位置相对应；在下段套管外套有隔热套管，在上段套管顶部连接有气体分散器。
上述的出气孔为15～25个，进气孔为5～15个。
上述的出气孔为18个φ18mm的出气孔，进气孔为9个φ31mm的进气孔。
上述进出气套管由石墨加工而成。
上述下段套管和隔热套管置于底部进出管内，底部进出管由内管和夹套管组成，内管紧贴隔热套管，夹套管和内管之间为夹套空腔；夹套空腔底部一侧接底部冷却水进口，另一侧接出气口，在出气口外套设有出气管冷却水进口。
上述电极有12对，即24个电极，在底盘和单层隔热装置底部上分2圈均匀地布置，8对电极设置在外圆周上，4对电极设置在内圆周上。
上述电极与石墨接头采用螺纹形式连结，石墨接头与发热体采用螺栓连接。
上述电极为硅芯电极，其下端连接2000V电压，持续给热发热体提供电源，使发热体产生热量，保证隔热屏内的温度保持在1200～1250℃。
本发明的进步之处在于提供了一种设计简单、结构合理、优质高效、高产出低能耗的处理Cl4Si的专用设备，使多晶硅的生产实现封闭化，进一步提高了多晶硅的产量，并达到了节约成本、节约能源、降低能耗和环保的目的。
附图说明
图1为本发明所述的多晶硅氢化炉主视图。
图2为电极和进气口在底盘和隔热屏下底板上的分布示意图。
图3为进出气套管结构示意图。
图4为电极与石墨接头及发热体连结的结构示意图。
图5容器法兰底部结构示意图。
图中，1-出水口、2-安全阀接口、3-夹套封头、4-内筒封头、5-进出气套管、6-螺旋型导流板、7-视镜、8-炉体冷却腔、9-内筒筒体、10-夹套筒体、11-单层隔热装置、12-容器法兰、13-垫片冷却腔出水口、14-垫片冷却腔、15-底座、16-电极、17-气体分散器、18-发热体、19-夹套管、20-夹套空腔、21-内管、22-出气管冷却水进口、23-出气口、24-进气口、25-底部冷却水进口、26-底盘冷却水出水口、27-下底板、28-底盘冷却水腔、29-连接体、30-上底板、31-密封垫、32-螺栓、33-总进水口、34-底部进出管、35-炉体、36-底盘、37-石墨接头、40-上段套管、41-下段套管、42-隔热套管、43-电极孔、44-进出气孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
一种多晶硅氢化炉，其结构如图1所示，包括炉体35、视镜7、底盘36、底座15、电极16、发热体18、螺旋型导流板6、总进水口33、容器法兰12、出水口1、螺栓32、密封垫31、单层隔热装置11、进出气套管5、石墨接头37、进出管34和安全阀接口2，其中视镜7位于炉体35中部，炉体35和底盘36之间垫有密封垫31；底盘36上开有电极孔43和进出气孔44，炉体的容器法兰与底座夹持底盘，用螺栓固定连接；电极16穿过底盘36与石墨接头37采用螺纹形式固定连接，石墨接头与发热体采用螺栓连接，以增加发热体18、石墨接头37及电极连结的可靠性，使氢化炉的连续安全运行；底盘36和炉体35均为水冷式结构，炉体35上的内筒筒体9、内筒封头4、夹套筒体10、夹套封头3和容器法兰12之间形成有炉体冷却腔8，以降低内筒筒体9的壁温；炉体冷却腔8内部设置螺旋型导流板6，以提高水冷效果；底盘36由上底板30和下底板27通过连接体29组焊而成，上底板30、下底板27和连接体29之间为底盘冷却水腔28；在容器法兰12密封面上部设置有垫片冷却腔14，用于冷却容器法兰12和密封垫31；炉体冷却腔8的总进水口33设置在炉体35下部，内筒筒体9顶部中心连接有安全阀接口2，用于控制炉体35内的压力，如果炉体35内的压力超压，安全阀接口2会自动打开，以保护装置；出水口1设置在与内筒封头4连通的安全阀接口2的夹层上；冷却水从总进水口33进入后分为三路，一路进入炉体冷却腔8冷却内筒筒体9，一路进入垫片冷却腔14冷却密封垫31，大大提高了密封垫31的使用寿命，一路进入视镜7冷却腔，然后从炉体冷却腔8顶部的出水口1流出；单层隔热装置11所用材料为耐高温材料，置于炉体内部，放置于与底盘36之上；其底部与底盘36的电极孔43处对应开孔，发热体18均匀分布在单层隔热装置11的内腔内；单层隔热装置11的顶部开有10个均匀分布的孔，其作用是调节单层隔热装置的内外气体压力平衡；单层隔热装置11的作用是将炉内的热量聚集起来，有利于SiCl4的氢化；进出气套管5穿过炉体35和单层隔热装置11底部深入到单层隔热装置11内部，进出气套管5、单层隔热装置11、进出管34和炉体35同轴心。
上述电极16以及底盘36、单层隔热装置11底部上的电极孔43分布如图2所示，电极16有12对，即24个电极，在底盘36和单层隔热装置11底部上分2圈均匀布置，8对电极设置在外圆周上，4对电极设置在内圆周上，电极16为硅芯电极，其下端连接2000V电压，持续给发热体18提供电源，使发热体产生热量，保证单层隔热装置11内的温度保持在1200～1250℃。
上述进出气套管5由石墨加工而成，其结构如图3所示，包括上段套管40、下段套管41、气体分散器17和隔热套管42；下段套管41为两圈空心式结构，其外圈为18个φ18mm的出气孔，内圈为9个φ31mm的进气孔，下段套管41底部末端连接进气口24，进气口24与进气孔联通；下段套管41在靠近底部处开有缺口，缺口与下段套管41的出气孔联通，并与出气口23连通；上段套管40为单圈空心结构，径向上均匀分布一圈进气孔，进气孔为9个φ31mm的进气孔，且与下段套管41的进气孔位置相对应；在下段套管41外套有隔热套管42，上段套管40顶部连接有气体分散器17，用于使进入的气分散均匀；下段套管41和隔热套管42外侧设置有底部进出管34，底部进出管34由夹套管19和内管21组成，内管21紧贴隔热套管42，夹套管19和内管21之间为夹套空腔20；夹套空腔20底部一侧接底部冷却水进口25，另一侧接出气口23，在出气口23外套有出气管冷却水进口22，底部冷却水从底部冷却水进口25进入，经过夹套空腔20冷却内管21和隔热套管42，而后进入底盘冷却水腔28冷却上底板30及下底板27，然后从底盘冷却水出水口26流出；出气管冷却水进口22进入的冷却水先冷却排出气体，而后夹套、底盘冷却水腔28和从底盘冷却水出水口26流出。
从以上设计来看，呈气态的硅的化合物SiCl4与H2作为原料气，在氢化炉中主要发生以下电化学反应：
SiCl4+H2＝SiHSi3+HCl↑(1250℃高温下)；
氢化反应的生成物——SiHSi3与HCl呈气态，其反应主要在发热体18的表面进行，反应介质通过体分散器17从单层隔热装置11靠近顶部进入，生成物及部分未反应的介质顺着下段套管41的出气孔从出气口23排出；由于炉体35内采用了单层隔热装置11，将炉内的热量聚集起来，有利于SiCl4的氢化；电极16穿过底盘36与石墨接头37采用螺纹形式固定连接，石墨接头与发热体采用螺栓连接，使氢化炉的连续安全运行；炉体35的容器法兰12端面设置了垫片冷却腔14，使设备垫片的使用寿命大大提高。
上面结合附图对本发明的实施例对作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种多晶硅氢化炉，包括炉体(35)、视镜(7)、底盘(36)、底座(15)、电极(16)、发热体(18)、石墨结头(37)、进出管(34)、总进水口(33)、容器法兰(12)、出水口(1)、密封垫(31)和螺栓(32)，其中视镜(7)位于炉体(35)中部，炉体(35)和底盘(36)之间垫有密封垫(31)；底盘(36)上开有电极孔(43)和进出气孔(44)，炉体(35)通过容器法兰(12)与底座(15)夹持底盘(36)，用螺栓(32)固定连接；电极(16)穿过底盘(36)与石墨接头(37)固定连接，石墨结头(37)与发热体(18)固定连接；其特征在于还包括单层隔热装置(11)、进出气套管(5)、底部进出管(34)和安全阀接口(2)；其中底盘(36)和炉体(35)均为水冷式结构，炉体(35)上的内筒筒体(9)、内筒封头(4)、夹套筒体(10)、夹套封头(3)和容器法兰(12)之间形成有炉体冷却腔(8)，炉体冷却腔(8)内部设置螺旋型导流板(6)；底盘(36)由上底板(30)和下底板(27)通过连接体(29)组焊而成，上底板(30)、下底板(27)、连接体(29)之间为底盘冷却水腔(28)；在容器法兰(12)密封面上部设置有垫片冷却腔(14)，炉体冷却腔(8)的总进水口(33)设置在炉体(35)下部，内筒筒体(9)顶部中心连接有安全阀接口(2)，出水口(1)设置在与内筒封头(4)连通的安全阀接口(2)的夹层上；单层隔热装置(11)置于炉体内部，放置于底盘(36)之上，其底部与底盘(36)的电极孔(43)处对应开孔；发热体(18)均匀分布在单层隔热装置(11)的内腔内，进出气套管(5)穿过进出管(34)和单层隔热装置(11)底部深入到单层隔热装置(11)内部，进出气套管(5)、单层隔热装置(11)、进出管(34)和炉体(35)同轴心。
2.如权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于单层隔热装置(11)所用材料为耐高温材料，其底部上均匀分布着两圈电极孔，中心开有进出气孔，顶部开有6～10个均匀分布的孔。
3.如权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于所述进出气套管(5)包括上段套管(40)、下段套管(41)、气体分散器(17)和隔热套管(42)，其中下段套管(41)为径向带有两圈孔的空心式结构，其外圈为一圈均匀分布的出气孔，内圈为一圈均匀分布的进气孔；下段套管(41)底部末端连接进气口(24)，进气口(24)与进气孔连通；下段套管(41)在靠近底部处开有缺口，缺口与下段套管(41)的出气孔联通，并与出气口(23)连通；上段套管(40)为单圈空心结构，径向上均匀分布一圈进气孔，且上段套管(40)的进气孔位置与下段套管(41)的进气孔位置相对应；在下段套管(41)穿外套有隔热套管(42)，在上段套管(40)顶部连接有气体分散器(17)。
4.如权利要求3所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于所述的出气孔为15～25个，进气孔为5～15个。
5.如权利要求4所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于所述的出气孔为18个φ18mm的孔，进气孔为9个φ31mm的孔。
6.如权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于所述的进出气套管(5)由石墨加工而成。
7.如权利要求3所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于所述的下段套管(41)和隔热套管(42)设置于底部进出管(34)内，底部进出管(34)由夹套管(19)和内管(21)组成，内管(21)紧贴隔热套管(42)，夹套管(19)和内管(21)之间为夹套空腔(20)，夹套空腔(20)底部一侧接底部冷却水进口(25)，另一侧接出气口(23)，在出气口(23)外套有出气管冷却水进口(22)。
8.如权利要求1所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于所述电极(16)有12对，即24个电极，在底盘(36)和隔热屏下部(11)上分2圈均匀布置，8对电极设置在外圆周上，4对电极设置在内圆周上。
9.如权利要求7所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于电极(16)与石墨结头(37)的端部采用螺纹形式固定连接，石墨结头(37)与发热体(180)之间采用螺栓连结。
10.如权利要求8所述的一种多晶硅氢化炉，其特征在于所用电极(16)为硅芯电极，下端连接2000V电压。
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