CN102659115A - 处理四氯化硅氢化副产物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于处理四氯化硅氢化副产物的方法。该方法包括以下步骤：将四氯化硅氢化副产物供给到气固分离装置，以便进行气固分离以得到含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气的第一气体混合物和固体颗粒；以及将所述第一气体混合物与第二气体混合物在热交换装置中进行热交换，其中，所述第二气体混合物为四氯化硅和氢气的混合物。根据本发明实施例的用于处理四氯化硅氢化副产物的方法能耗低，成本低，热量回收率高。并且可以避免固体颗粒堵塞管道，提高固体物料利用率，从而保证管道和设备的正常运行。

Description

处理四氯化硅氢化副产物的方法

技术领域

本发明涉及多晶硅生产领域，更具体地，涉及处理四氯化硅氢化副产物的方法。

背景技术

在多晶硅生产过程中，产生大量的副产物四氯化硅。例如，采用三氯氢硅氢还原工艺(改良西门子工艺)生产多晶硅时，每生产1吨多晶硅会产生10～20吨四氯化硅。四氯化硅是一种有毒的化学物质，极易水解生成硅酸和氯化氢，严重污染环境。因此，如何安全处理四氯化硅成为目前研究的热点。目前，处理四氯化硅最有效的方法是通过四氯化硅氢化技术使四氯化硅在一定的条件下转化为生产多晶硅的原料三氯氢硅。

然而，由于含有四氯化硅的副产物含有少量硅粉和催化剂等固体颗粒，容易使设备和管道堵塞，并且其热量无法回收，导致了能耗较高，成本较高，运行不稳定。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出能够有效地处理四氯化硅氢化副产物的设备和方法。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于处理四氯化硅氢化副产物的设备。根据本发明的实施例，该用于处理四氯化硅氢化副产物的设备包括：气固分离装置，所述气固分离装置用于对四氯化硅氢化副产物进行气固分离以得到含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气的第一气体混合物和固体颗粒；以及热交换装置，所述热交换装置与所述气固分离装置相连，从所述气固分离装置接收所述第一气体混合物，并且将所述第一气体混合物与第二气体混合物进行热交换，以便使得所述第二气体混合物的温度被提高，其中，所述第二气体混合物为四氯化硅和氢气的混合物。根据本发明实施例的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备，能够有效回收四氯化硅氢化副产物的热量，实现节能降耗。

根据本发明的实施例，本发明的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备还可以具有下列附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，本发明的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括：氢化反应装置，所述氢化反应装置用于对四氯化硅进行氢化处理；以及固体颗粒返回管路，所述固体颗粒返回管路与所述气固分离装置相连，用于将所述固体颗粒返回至氢化反应装置。由此，可以循环利用硅粉和催化剂，提高物料利用率。

根据本发明的一个实施例，所述气固分离装置为旋风分离器。由此，可以提高气固分离效率，避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证管道和设备的正常运行。

根据本发明的一个实施例，本发明的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括陶瓷过滤器，所述陶瓷过滤器分别与气固分离装置和热交换装置相连，以便在第一气体混合物进入热交换装置之前，对第一气体混合物进行过滤除尘处理。由此，可以进一步纯化第一气体混合物，并且可以进一步避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证设备和管道的正常运行。

根据本发明的一个实施例，陶瓷过滤器的孔径为600-1500目。由此，可以有效地除去第一气体混合物中的细微粉尘，进一步纯化三氯氢硅。

根据本发明的一个实施例，在第二气体混合物中四氯化硅和氢气的摩尔比例为1∶1-1∶10。由此，经过换热加热的第二气体混合物可以直接作为四氯化硅氢化反应的原料。

根据本发明的一个实施例，本发明的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括冷凝装置，所述冷凝装置与热交换装置相连，用于从热交换装置接收经过冷却的第一气体混合物，并对第一气体混合物进行冷凝处理，使得第一气体混合物中的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅与氢气分离。由此，可以进一步有效分离三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气。

根据本发明的一个实施例，本发明的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括加热装置，所述加热装置与氢化反应装置相连，用于将氢气和四氯化硅的混合气体进一步加热升温后，将该混合气体供给到氢化反应装置。由此，可以提高氢气和四氯化硅的混合气体的温度，有利于四氯化硅氢化反应的进行。

根据本发明的一个实施例，本发明的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括第二气体混合物输送管道，所述第二气体混合物输送管道分别与热交换装置和加热装置相连，用于将经过热交换的含有四氯化硅和氢气的第二气体混合物输入至氢化反应装置中。由此，可以将经过加热的第二气体混合物用于氢化反应。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种处理四氯化硅氢化副产物的方法。该方法包括以下步骤：将四氯化硅氢化副产物供给到气固分离装置，以便进行气固分离以得到含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气的第一气体混合物和固体颗粒；以及将第一气体混合物与第二气体混合物在热交换装置中进行热交换，其中，第二气体混合物为四氯化硅和氢气的混合物。利用该方法，能够有效回收四氯化硅氢化副产物的热量，实现节能降耗。

根据本发明的实施例，上述方法还可以具有下列附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，本发明的处理四氯化硅氢化副产物的方法进一步包括将固体颗粒输送至氢化反应装置，用于进行四氯化硅的氢化反应。由此，可以循环利用硅粉和催化剂，提高物料的利用率。

根据本发明的一个实施例，气固分离装置为旋风分离器。由此，可以提高气固分离效率，避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证设备和管道的正常运行。

根据本发明的一个实施例，在将第一气体混合物进行热交换之前，进一步包括利用陶瓷过滤器对第一气体混合物进行过滤除尘处理。由此，可以进一步纯化第一气体混合物，并且可以进一步避免固体颗粒堵塞管道，从而保证管道和设备的正常运行。

根据本发明的一个实施例，所述陶瓷过滤器的孔径为600-1500目。由此，可以有效地除去第一气体混合物中的细微粉尘，进一步纯化第一混合气体。

根据本发明的一个实施例，在所述第二气体混合物中四氯化硅和氢气的摩尔比例为1∶1-1∶10。由此，经过换热器加热的第二气体混合物可以直接作为四氯化硅氢化反应的原料。

根据本发明的一个实施例，进一步包括将经过热交换的第一气体混合物进行冷凝处理，使得第一气体混合物中的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅与氢气分离。由此，可以进一步有效分离三氯氢硅和氢气。

根据本发明的一个实施例，进一步包括将经过加热的第二气体混合物输入至氢化反应装置中进行氢化反应。由此，可以将经过加热的第二气体混合物输送至用于氢化反应。

根据本发明的一个实施例，在将第二气体混合物输送至氢化反应装置之前，进一步包括将第二气体混合物进行加热。由此，可以提高氢气和四氯化硅的混合气体的温度，有利于四氯化硅氢化反应的进行。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备的示意图；以及

图2是根据本发明一个实施例的处理四氯化硅氢化副产物的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1描述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备：

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于处理四氯化硅氢化副产物的设备。根据本发明的一个实施例，用于进行四氯化硅氢化反应的系统包括氢化反应装置和处理四氯化硅氢化副产物的设备。处理四氯化硅氢化副产物的设备包括：气固分离装置以及热交换装置。根据本发明的一些实施例，气固分离装置用于对四氯化硅氢化副产物进行气固分离以得到含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气的第一气体混合物和固体颗粒，热交换装置与气固分离装置相连，从气固分离装置接收第一气体混合物，并且将第一气体混合物与第二气体混合物进行热交换，以便使得所述第二气体混合物的温度被提高，其中，第二气体混合物为四氯化硅和氢气的混合物。根据本发明实施例的用于处理四氯化硅氢化副产物的设备，结构简单，操作方便，可以有效地将回收四氯化硅氢化副产物的能量，能耗低，成本低，并且可以避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证管道和设备的正常运行。

本文中，术语“四氯化硅氢化副产物”应作广义理解，其是指在多晶硅生产过程中四氯化硅与氢气进行氢化反应，从反应装置中排出的混合物，其中含有三氯化硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气和固体颗粒等。根据本发明的实施例，氢化反应装置的类型不受特别限制，只要能够使四氯化硅氢化反应顺利进行即可。在本发明的一些示例中，可以采用固定床反应器或流化床反应器。在本发明的一个具体示例中，可以采用流化床反应器。在流化床反应器中，利用气体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应。在所述氢化反应装置内，四氯化硅和氢气发生下列反应：

3SiCl₄+2H₂+Si＝4SiHCl₃

首先，将催化剂粉末状与硅粉按1％-5％的质量比均匀混合，在氢气气氛下由28℃升温至400℃进行活化干燥处理。然后，将摩尔比为1∶1-1∶10的四氯化硅和氢气的混合气体以一定的流速通过活化处理后的催化剂与硅粉料层，温度为400～600℃，压力为1.5～3.5MPa，进行四氯化硅氢化反应。在以上反应条件下，四氯化硅可以有效地转化为三氯氢硅，转化率可达20～30％。因此，反应可以在较低的温度和压力下进行，从而可以降低能耗，节约成本。

根据本发明的实施例，热交换装置可以实现第一气体混合物和第二气体混合物之间的热交换，从而在降低副产物气体的温度的同时，提高了含有四氯化硅和氢气的第二气体混合物的温度，从而使得经过加热的第二气体混合物可以作为氢化反应的原料输入至氢化反应装置中。根据本发明的实施例，热交换装置的类型不受特别限制。在本发明的一个具体示例中，所述热交换装置为列管式换热器。从而有效地利用氢化副产物中气体的热量，提高热能利用率，降低成本。根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括混合气体输送管道，混合气体输送管道分别与热交换装置和氢化反应装置相连，用于将经过热交换的所述含有四氯化硅和氢气的混合气体输入至所述氢化反应装置中，从而便于后续处理工序的进行。根据本发明的具体示例，在第二气体混合物中四氯化硅和氢气的摩尔比例为1∶1-1∶10。由此，经过换热加热的第二气体混合物可以直接作为四氯化硅氢化反应的原料。

根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括加热装置，所述加热装置与所述氢化反应装置相连，用于将氢气和四氯化硅的混合气体进行加热后，将混合气体供给到氢化反应装置。根据本发明的实施例，加热装置的类型不受特别限制，只要能够将所述氢气和四氯化硅的混合气体加热到所需温度(如400～600℃)即可。在本发明的一个具体示例中，所述加热装置为电阻加热器。经过加热处理之后，可以提高所述氢气和四氯化硅的混合气体的温度，有利于四氯化硅氢化反应的进行。

根据本发明的实施例，气固分离装置的类型不受特别限制，只要能够从四氯化硅氢化副产物中分离出第一气体混合物，即三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气即可。在本发明的一个具体示例中，所述气固分离装置为旋风分离器。旋风分离器采用立式锥形结构，内壁镀有耐磨材料。设备采用耳座支撑，封头采用耐高压椭圆型封头。含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气的第一气体混合物进入旋风分离器，当含杂质气体沿径向进入旋风分离管后，气流受导流作用而产生强烈旋转，气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体，密度大尘粒在离心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁下落流出旋风管排尘口。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经导气管流至下游装置。经过气固分离装置分离后，可以将所述含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气的混合物中粒径大于10微米的固体颗粒(如催化剂或硅粉等)除去，从而得到较纯净的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气的气体混合物。因此，可以避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证管道和设备的正常运行。

根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括固体颗粒返回管路，所述固体颗粒返回管路分别与氢化反应装置和气固分离装置相连，用于将所述固体颗粒返回至所述氢化反应装置。由此，可以将所述固体颗粒中的催化剂和硅粉重新用作四氯化硅氢化反应的催化剂和硅粉，从而循环利用催化剂和硅粉。

根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括陶瓷过滤器，所述陶瓷过滤器与所述气固分离装置相连，以便从所述气固分离装置接收经过氢气和四氯化硅，并对所述经过气固分离净化的氢气和四氯化硅进行过滤除尘处理。根据本发明的实施例，陶瓷过滤器的类型不受特别限制，只要能够除去三氯氢硅混合气体携带的细微粉尘除去即可。根据本发明的实施例，陶瓷过滤器的孔径为600-1500目。经过过滤处理后，可以从经过净化的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气的气体混合物中，将粒径为1～10微米的细微粉尘除去，进一步纯化三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气，并且可以避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证管道和设备的正常运行。

根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括冷凝装置，所述冷凝装置与所述热交换装置相连，用于从热交换装置接收经过冷却的第一气体混合物，并对所述第一气体混合物进行冷凝处理，使得三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅被冷凝，从而与氢气实现分离。根据本发明的实施例，冷凝装置的类型不受特别限制，只要能够将所述经过冷却的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅气体转变为液体即可。在本发明的一个具体示例中，所述冷凝装置为多级冷凝器。经过冷凝处理之后，可以进一步降低三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅的温度，实现与氢气分离，并且氢气可以循环使用。

下面参考图2描述处理四氯化硅氢化副产物的方法：

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种处理四氯化硅氢化副产物的方法。根据本发明的实施例，处理四氯化硅氢化副产物的方法包括以下步骤：

首先，将四氯化硅氢化副产物供给到气固分离装置，以便进行气固分离以得到含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气的第一气体混合物和固体颗粒。根据本发明的一些实施例，气固分离装置用于对四氯化硅氢化副产物进行气固分离以得到含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气的第一气体混合物和固体颗粒。根据本发明的实施例，气固分离装置的类型不受特别限制，只要能够从四氯化硅氢化副产物中分离出第一气体混合物，即三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气即可。在本发明的一个具体示例中，所述气固分离装置为旋风分离器。旋风分离器采用立式锥形结构，内壁镀有耐磨材料。设备采用耳座支撑，封头采用耐高压椭圆型封头。含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气的第一气体混合物进入旋风分离器，当含杂质气体沿径向导管进入旋风分离管后，气流受导流作用而产生强烈旋转，气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风锥体，密度大尘粒在离心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁下落流出旋风管排尘口。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经导气管流至下游装置。经过气固分离装置分离后，可以将所述含有三氯氢硅和氢气的混合物中粒径大于10微米的固体颗粒(硅粉或催化剂等)除去，从而得到较纯净的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、和氢气的气体混合物。因此，可以避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证管道和设备的正常运行。根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括固体颗粒返回管路，所述固体颗粒返回管路分别与氢化反应装置和气固分离装置相连，用于将固体颗粒返回至氢化反应装置。由此，可以将固体颗粒重新用作四氯化硅氢化反应的催化剂和原料硅粉，从而循环利用。

接下来，将第一气体混合物与第二气体混合物在热交换装置中进行热交换，其中，第二气体混合物为四氯化硅和氢气的混合物。根据本发明的实施例，热交换装置可以实现第一气体混合物和第二气体混合物之间的热交换，从而在降低副产物气体的温度的同时，提高了含有四氯化硅和氢气的第二气体混合物的温度，从而使得经过加热的第二气体混合物可以作为氢化反应的原料输入至氢化反应装置中。根据本发明的实施例，热交换装置的类型不受特别限制。在本发明的一个具体示例中，所述热交换装置为列管式换热器。从而有效地利用氢化副产物中气体的热量，提高热能利用率，降低成本。根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括混合气体输送管道，所述混合气体输送管道分别与所述热交换装置和所述氢化反应装置相连，用于将经过热交换的所述含有四氯化硅和氢气的混合气体输入至所述氢化反应装置中，从而便于后续处理工序的进行。根据本发明的具体示例，在所述第二气体混合物中四氯化硅和氢气的摩尔比例为1∶1-1∶10。由此，经过换热加热的第二气体混合物可以直接作为四氯化硅氢化反应的原料。根据本发明的实施例，所述用于处理四氯化硅氢化副产物的设备进一步包括加热装置，所述加热装置与所述氢化反应装置相连，用于将氢气和四氯化硅的混合气体进行加热后，将所述混合气体供给到所述氢化反应装置。根据本发明的实施例，加热装置的类型不受特别限制，只要能够将所述氢气和四氯化硅的混合气体加热到所需温度(如400～600℃)即可。在本发明的一个具体示例中，所述加热装置为电阻加热器。经过加热处理之后，可以提高所述氢气和四氯化硅的混合气体的温度，有利于四氯化硅氢化反应的进行。根据本发明的一个实施例，进一步包括在将所述第一气体混合物进行热交换之前，对所述第一气体混合物进行过滤除尘处理。由此，可以进一步纯化第一气体混合物，并且可以进一步避免固体颗粒堵塞设备和管道，从而保证管道和设备的正常运行。根据本发明的一个实施例，所述陶瓷过滤器的孔径为600-1500目。由此，可以有效地除去第一气体混合物中的细微粉尘，进一步纯化三氯氢硅混合气体。根据本发明的一个实施例，进一步包括将所述经过冷却的第一气体混合物进行冷凝处理，使得所述第一气体混合物中的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅与氢气分离。由此，可以进一步有效分离三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅和氢气。根据本发明的一个实施例，在将所述第二气体混合物输入到氢化反应装置之前，进一步包括将所述第二气体混合物进行加热。由此，可以提高氢气和四氯化硅的混合气体的温度，有利于四氯化硅氢化反应的进行。

利用根据本发明实施例的处理四氯化硅氢化副产物的方法，能够有效回收四氯化硅氢化副产物的热量，实现节能降耗。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将四氯化硅氢化副产物供给到气固分离装置，以便进行气固分离以得到含有三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅、氢气的第一气体混合物和固体颗粒；以及

将所述第一气体混合物与第二气体混合物在热交换装置中进行热交换，其中，所述第二气体混合物为四氯化硅和氢气的混合物。

2.根据权利要求1所述的处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，进一步包括将所述固体颗粒输送至氢化反应装置，用于进行四氯化硅的氢化反应。

3.根据权利要求1所述的处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，所述气固分离装置为旋风分离器。

4.根据权利要求1所述的处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，在将所述第一气体混合物进行热交换之前，进一步包括利用陶瓷过滤器对所述第一气体混合物进行过滤除尘处理。

5.根据权利要求4所述的用于处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，所述陶瓷过滤器的孔径为600-1500目。

6.根据权利要求1所述的处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，在所述第二气体混合物中四氯化硅和氢气的摩尔比例为1∶1-1∶10。

7.根据权利要求1所述的处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，进一步包括将经过热交换的第一气体混合物进行冷凝处理，使得所述第一气体混合物中的三氯氢硅、四氯化硅、二氯二氢硅与氢气分离。

8.根据权利要求1所述的处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，进一步包括将经过加热的第二气体混合物输送至氢化反应装置中进行氢化反应。

9.根据权利要求8所述的处理四氯化硅氢化副产物的方法，其特征在于，在将所述第二气体混合物输送至所述氢化反应装置之前，进一步包括将所述第二气体混合物进行加热。

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