CN102502656A - 四氯化硅转化三氯氢硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四氯化硅转化三氯氢硅的方法，气态四氯化硅和氢气混合后反应产生三氯氢硅，气态四氯化硅和氢气混合后在炉管内部被加热并进行反应；本发明采用炉管内反应生成三氯氢硅的方式，利于气态四氯化硅和氢气充分混合，受热均匀，降低反应所需的能耗；与现有技术相比，可以避免消耗电能，能够实现热量高效回收利用，同时可以将目前技术所实现的四氯化硅处理量成倍增加，解决多晶硅工厂四氯化硅转化的瓶颈问题，实现工业化大规模低能耗连续稳定生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种由四氯化硅转化三氯氢硅的方法。
背景技术
在多晶硅生产过程中，三氯氢硅和氢气反应生成多晶硅的同时也会产生大量的四氯化硅。四氯化硅通过转化，也就是四氯化硅和氢气反应再转化成三氯氢硅和氯化氢。目前已经有两种技术用于四氯化硅转化为三氯氢硅，低温转化是在硅粉和催化剂的存在下在500～600℃，通过流化床反应器进行的，也就是冷氢化技术。高温转化是四氯化硅和氢气在没有催化剂情况下在900～1200℃，通过在氢化炉内部反应生成三氯氢硅，也就是热氢化技术。
现有技术中，低温转化所用的流化床反应器，由于硅粉和催化剂的存在，虽然降低了反应温度，但是对反应器和换热器、管道以及阀门造成严重破坏，导致不能连续生产。高温转化三氯氢硅普遍采用氢化炉来反应完成，氢化炉采用电加热的方式加热反应气体。为了避免氢化炉内部热量损害炉体，在炉筒、封头、底盘设有冷却水腔。冷却水带走大量的热量，这些冷却过程与氢化炉内的四氯化硅和氢气高温反应过程相矛盾，因此和冷氢化相比，热氢化消耗相对较多的电能。
不管是冷氢化技术，还是热氢化技术，加热反应气体都是通过电加热的方式实现的，消耗大量电能，显然是不经济的，与生产多晶硅制成太阳能电池板发电的目标背道而驰，与人们所提倡的绿色能源也是不相符的。
发明内容
生产多晶硅用于太阳能电池日益增加的经济重要性和不断持续上涨的能源价格，人们已经做出了很大努力用于降低四氯化硅转化三氯氢硅的电单耗，使得能源的利用更加有效。本发明的目的就是提供一种更加经济和便宜可靠的方法，用于四氯化硅转化三氯氢硅，与现有技术相比，可以不消耗电能，能够实现热量高效回收利用，同时可以将目前技术所实现的四氯化硅处理量成倍增加，解决多晶硅工厂四氯化硅转化的瓶颈问题，实现工业化大规模低能耗连续稳定生产。
本发明的四氯化硅转化三氯氢硅的方法，气态四氯化硅和氢气混合后反应产生三氯氢硅，气态四氯化硅和氢气混合后在炉管内部被加热并进行反应。
进一步，所述气态四氯化硅和氢气混合气体在炉管内处于一端进一段出的流动状态进行反应；
进一步，所述炉管内部装填用于蓄热并对气态四氯化硅和氢气混合气体阻流且均匀加热的热载体；或/和用于对气态四氯化硅和氢气混合气体阻流及加速反应的催化剂；
进一步，所述炉管为多根并列分布于一炉膛内，炉膛对炉管从外部加热，使炉管内温度达到气态四氯化硅和氢气混合后反应产生三氯氢硅的温度；
进一步，从炉管流出的反应后气体汇集后，进行快速冷却，以减少逆反应的发生；
进一步，炉膛内加热炉管采用燃烧加热，燃烧产生的高温烟气与进入炉管前的气态四氯化硅和氢气混合后气体间壁换热后，与炉膛内用于燃烧的燃料气以及助燃气依次间壁换热；
进一步，气态四氯化硅和氢气混合前分别由快速冷却后反应气体间壁换热，四氯化硅间壁换热后由液体汽化成气态，气态四氯化硅和氢气混合后与炉膛内燃烧产生的高温烟气间壁换热；
进一步，从炉管流出的反应后气体汇集后通入温度较低的氢气或者通过间壁换热器由水快速冷却。
本发明的有益效果：本发明的四氯化硅转化三氯氢硅的方法，采用炉管内反应生成三氯氢硅的方式，利于气态四氯化硅和氢气充分混合，受热均匀，降低反应所需的能耗；与现有技术相比，可以避免消耗电能，能够实现热量高效回收利用，同时可以将目前技术所实现的四氯化硅处理量成倍增加，解决多晶硅工厂四氯化硅转化的瓶颈问题，实现工业化大规模低能耗连续稳定生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明方法实施例一流程示意图。
图2为本发明方法实施例二流程示意图。
图3为炉管装填热载体示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
实施例一
本实施方式流程如图1所示，四氯化硅转化三氯氢硅的方法中，气态四氯化硅和氢气混合后反应产生三氯氢硅，气态四氯化硅和氢气混合后在炉管7内部被加热并进行反应；并且含四氯化硅和氢气的混合气在炉管7内部流动过程中，被加热至600～1200℃温度，发生转化反应形成含三氯氢硅的混合气。
所述方法中，含四氯化硅和氢气的混合气在进入炉管7前，与燃烧产生的高温烟气换热，混合气温度被加热至200～600℃。燃烧产生的高温烟气和四氯化硅与氢气的混合气换热后，温度降到600℃以下，再和燃料、空气依次换热。
所述方法中，四氯化硅和氢气在0.3～4MPa压力下，按照1∶0.5～1∶5的摩尔比混合进入炉管7内部的，四氯化硅进料量大于等于500Nm3/h。
所述方法中，四氯化硅和氢气的反应为可逆反应，为了防止逆反应发生，反应气体在炉管7中的停留时间小于10s。较短的停留时间，对反应转化率的提高是有利的。
所述方法中，炉管7置于炉体4中，炉体4固定布置若干烧嘴5，燃料通过烧嘴5和空气混合后发生燃烧，产生火焰布于炉管7之间，均匀加热炉管7。炉体4内表面固定厚度一定的隔热耐火材料，防止热量散失。
所述方法中，炉管7数量大于等于1，炉管7管径大于等于10mm；一般根据生产能力进行调整；炉管7和炉管7可以通过U型弯头串联，也可以数量较多的炉管7通过上集气管6和下集气管8并联组成。
所述方法中，炉管7材质选择耐高温合金，比如HK40等；内部可以装填石墨或者其它热载体17，用于增加载热面积，均匀加热气体，并起到阻流作用改变气体流速。
所述方法中，炉管7内部可以装填催化剂，用于并起到阻流作用并加快反应提高反应转化率，降低反应所需温度。
所述方法中，从炉管7流出的高温反应后气体进入下集气管8汇集时，可以通入温度较低的氢气进入下集气管8，用于快速冷却反应后气体，防止逆反应的发生。
所述方法中，从炉管7流出的反应气体经过四次换热后，温度下降到60℃以下。第一次通过换热器和水换热，反应气体在1s以内被快速冷却至650℃以下，水被加热闪蒸汽化成蒸汽。第二、三次分别同四氯化硅液体和氢气换热后，温度下降到300～200℃。第四次和三氯氢硅液体换热，温度下降到60℃以下。
如图1所示，四氯化硅液体通过管路10a进入热交换器10中，与通过管路9c已经被脱盐水冷却到650℃的高温反应后气体换热后，四氯化硅液体被加热并被汽化至200℃的温度后通过管路10c进入混合器12中。
氢气通过管路11a进入热交换器11中，与通过管路10b温度下降至350℃的反应后气体换热后，氢气被加热至200℃的温度后通过管路11c进入混合器12中。
氢气和四氯化硅气体在混合器12中混合后，通过管路3a进入对流室16中的预热器3中，与对流室16中温度1000℃高温烟气换热后，温度上升至450～550℃后，通过管路3b进入上集气管6中。
压缩空气通过管路1a进入对流室16中的预热器1中，和烟气换热后，进入管路1b与通过管路2a进入对流室16中的预热器2被烟气加热的燃料在烧嘴5中混合并燃烧，均匀布置于炉管7之间，炉管7为多根并列设置，在炉体4上方，烧嘴5所产生的火焰加热炉管7，炉管7温度控制在1100℃左右。
进入上集气管6的混合气，均匀分布至炉膛15中炉管7中，如图3所示，在由上至下的流动过程中，被炉管7和石墨热载体17加热至1100℃。在炉管中发生转化反应后，汇集于下集气管8中，被通过8b管路进入集气管8中的温度较低的氢气冷却后，从8a管路中流出。
从8a管路中流出的高温反应后气体，进入热交换器9中和脱盐水换热后，温度下降到650℃以下。脱盐水从管路9a进入9中，换热后带走热量，通过管路13a进入闪蒸罐13中，热水经过闪蒸产生蒸汽，通过管路13b送入其它工序使用。
通过进入热交换器10和11中，反应后气体与四氯化硅液体和氢气换热后，温度下降到300～200℃。通过管路11b进入热交换器14中，和通过管路14a进入热交换器14的温度20～30℃的三氯氢硅液体换热后，温度下降到60℃以下，通过管路14b进入尾气回收，分离混合气的组分，供循环使用。在热交换器14中被预热的三氯氢硅液体，通过管路14c进入还原炉，同时还可以降低还原炉生产多晶硅的电耗。
实施例二
具体实施方式如图2所示，和实施例一不同之处在于，进入上集气管6的混合气，均匀分布至炉膛15中炉管7中，如图3所示，在由上至下的流动过程中，被炉管7和石墨热载体17加热至1100℃。发生转化反应后，在炉管7出口端连接多组热交换器9，脱盐水通过管路9a，可以串联进入也可以并联进入热交换器9中。脱盐水与高温反应后气体换热后带走热量，通过管路13a进入闪蒸罐13中，热水经过闪蒸产生蒸汽，通过管路13b送入其它工序使用。经过冷却的高温反应后气体，温度下降到650℃以下，再进入下集气管8中，通过管路8a进入热交换器10和11中。
Claims (8)
1.一种四氯化硅转化三氯氢硅的方法，气态四氯化硅和氢气混合后反应产生三氯氢硅，其特征在于：气态四氯化硅和氢气混合后在炉管内部被加热并进行反应。
2.根据权利要求1所述的四氯化硅转化三氯氢硅的方法，其特征在于：所述气态四氯化硅和氢气混合气体在炉管内处于一端进一段出的流动状态进行反应。
3.根据权利要求1或2所述四氯化硅转化三氯氢硅的方法，其特征在于：所述炉管内部装填用于蓄热并对气态四氯化硅和氢气混合气体阻流且均匀加热的热载体；或/和用于对气态四氯化硅和氢气混合气体阻流及加速反应的催化剂。
4.根据权利要求3所述的四氯化硅转化三氯氢硅的方法，其特征在于：所述炉管为多根并列分布于一炉膛内，炉膛对炉管从外部加热，使炉管内温度达到气态四氯化硅和氢气混合后反应产生三氯氢硅的温度。
5.根据权利要求4所述的四氯化硅转化三氯氢硅的方法，其特征在于：从炉管流出的反应后气体汇集后，进行快速冷却，以减少逆反应的发生。
6.根据权利要求5所述的四氯化硅转化三氯氢硅的方法，其特征在于：炉膛内加热炉管采用燃烧加热，燃烧产生的高温烟气与进入炉管前的气态四氯化硅和氢气混合后气体间壁换热后，与炉膛内用于燃烧的燃料气以及助燃气依次间壁换热。
7.根据权利要6所述的四氯化硅转化三氯氢硅的的方法，其特征在于：气态四氯化硅和氢气混合前分别由快速冷却后反应气体间壁换热，四氯化硅间壁换热后由液体汽化成气态，气态四氯化硅和氢气混合后与炉膛内燃烧产生的高温烟气间壁换热。
8.根据权利要7所述的四氯化硅转化三氯氢硅的的方法，其特征在于：从炉管流出的反应后气体汇集后通入温度较低的氢气或者通过间壁换热器由水快速冷却。
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