CN102671582B - 生产颗粒材料的反应器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产颗粒材料的反应器和方法。生产颗粒材料的反应器包括反应器腔体，反应器腔体至少设置有颗粒加料斗、原料气体入口、颗粒产品出料口和尾气出口；其中，反应器腔体内设置有至少一个锥状分布器；尾气出口的设置位置不高于锥状分布器；颗粒加料斗设于反应器腔体上部，颗粒产品出料口设于反应器腔体下部；反应器腔体还包括能提供反应物料与反应器腔体内壁间的阻隔作用的气帘机构；反应器腔体还设有用于对反应区形成加热的内置或外置加热机构；反应器腔体还设有内置或外置动态发生机构。本发明还公开了一种上述反应器生产颗粒材料的方法。本发明克服了现有技术的诸多缺点，实现了高效节能、长期稳定、安全可靠的生产颗粒材料。

Description

生产颗粒材料的反应器和方法

技术领域

本发明涉及颗粒材料生产技术，尤其涉及一种生产颗粒材料的反应器和方法。

背景技术

现代工业生产工艺中对颗粒材料如：硅、镍和钛等单质；氮化硅、碳化硅和氧化硅等化合物的需求量越来越大的同时，对其性能的要求也越来越苛刻：颗粒材料要满足较高的纯度要求；且颗粒度均匀、适中；颗粒材料的生产成本不宜过高，以满足大规模连续生产的需要。

目前生产颗粒材料的首选反应器是流化床反应器，采用选定的原料气体（能够在高温下得以分解，或发生还原、氧化、氮化等反应、且化学组成中含有目标材料元素的气体）在反应器中实施热分解或还原、氧化或氮化等过程，使原料气体中的目标元素单质在颗粒种子（事先在反应器中形成床层，并在反应过程中补充）表面不断沉积，达到所设定的颗粒尺寸后加以收集，成为所需要的颗粒材料。

上述原料气体的热分解为气体分解的不可逆反应过程，常见的有：

硅烷热分解制备多晶硅；SiH₄---Si+H₂

羰基镍分解制镍：Ni(CO)₄---Ni+CO

等等。

至于所用原料气体，可以是利用目标材料所对应的单质元素通过化学方法制备得到，并且通过一系列物理和化学手段纯化成为纯度较高的原料气体，属于原料气体的生产领域，本发明所关注的是利用这些原料气体经有效的工艺过程和控制条件，为高纯颗粒材料的产业化生产提供科学有效的实施技术。

目前采用的流化床工艺生产颗粒材料至少存在以下缺点：

原料气体送入反应器腔体后，需要通过所设置的气体分布器，以使原料气在反应腔内尽可能充分反应而提高原料气体利用率和颗粒产物的收率，由于原料气体在反应器腔体内随时分解，导致进气口和气体分布器的进气端由于颗粒沉积而形成堵塞，需要定时清理，不仅降低了产品收率，也难以满足连续化生产的需要；

原料气体分解形成单质沉积，使颗粒种子长大的同时，也导致颗粒之间容易发生粘结在腔体内形成团聚，影响了产物的收集，只能中断生产进行必须的处理；

原料气体在反应器腔体中分解出的单质除了沉积于颗粒种子表面，还会在腔体内壁形成沉积，降低了产物收率，内壁沉积的反应器腔体需频繁更换，严重影响了反应的连续性。

发明内容

本发明提供一种生产颗粒材料的反应器，用以解决现有技术中的缺陷，实现高效节能、长期稳定、安全可靠的生产颗粒材料。

本发明公开的一种生产颗粒材料的反应器，包括：反应器腔体；

所述反应器腔体至少设置有颗粒加料斗、原料气体入口、颗粒产品出料口和尾气出口；其中，

所述反应器腔体内设置有至少一个锥状分布器，所述锥状分布器由二个以上两端开口的锥筒同向套设组成，且该锥状分布器的广口端向上，相邻二个锥筒通过上锥筒的下沿与下锥筒内侧壁之间固定而成一体，并形成有气体通道，最上部的锥筒的上端缘与反应器腔体内侧壁固定，并形成有气体通道，且相邻二个锥筒的侧壁之间具有供气体流通的间隙，所述锥状分布器在反应器腔体内的设置位置低于原料气入口的设置位置，锥状分布器上部区域能提供通过堆积颗粒床层所形成的反应区；

所述尾气出口的设置位置不高于所述锥状分布器，所述尾气出口用于排放尾气，所述尾气包括辅助气体和反应气体分解后的气体，当因启动事故检修停电等原因导致反应器运行不畅时，尾气中还可能包含原料气体；

所述颗粒加料斗设于反应器腔体上部，所述颗粒产品出料口设于反应器腔体下部；

所述反应器腔体还包括能提供反应物料与反应器腔体内壁间的阻隔作用的气帘机构；

所述反应器腔体还设有用于对所述反应区形成加热的内置或外置加热机构，加热机构的选择可由具体反应来确定，如燃烧加热、感应加热，微波加热，强光加热，电阻加热和回转炉加热中的一种或多种的组合；

所述反应器腔体还设有内置或外置动态发生机构，所述动态发生机构用于使所述反应区的堆积颗粒床层处于运动状态。

本发明中生产颗粒材料的反应器简称反应器。

进一步地，所述锥状分布器的锥筒的横截面与反应器腔体横截面相适应。通常反应器腔体的横截面为圆形或矩形，相适应的所述锥状分布器的锥筒的横截面也分别为圆形或矩形。颗粒材料初品最终自锥状分布器中心部分以较小的截面流过以减少或防止颗粒材料结团，起到破碎和解聚的作用。

进一步地，所述锥状分布器的相邻锥筒之间通过分隔单元分隔并固定，使分隔单元之间的区域形成气流通道；具体地，所述分隔单元为焊点，所述锥状分布器的相邻锥筒之间通过焊接固定，且焊接方式为上锥筒的下沿通过间隔点焊与下锥筒的内侧壁固定，并使焊点之间区域形成气流通道；

所述锥状分布器最上部的锥筒与反应器腔体内壁之间固定，并使固定点之间的区域形成气流通道。具体地，所述锥状分布器最上部的锥筒与反应器腔体内壁之间通隔点焊实现二者的焊接固定。可以理解，还可采用其他固定方式，如螺栓连接。

所述锥状分布器的相邻锥筒之间通过焊接固定，且焊接方式为上锥筒的下沿通过间隔点焊与下锥筒的内侧壁固定，并使焊点之间区域形成气流通道；所述锥状分布器最上部的锥筒与反应器腔体内壁之间通过间隔点焊实现二者的焊接固定，并使焊点之间的区域形成气流通道。可以理解，还可采用其他固定方式，如螺栓连接。

进一步地，所述锥状分布器为多个，沿反应器腔体自上而下间隔设置，所述原料气体入口也为多个，相应设于每个锥状分布器上部，且至少在不高于最下部的锥状分布器的位置设有一个所述尾气出口。

进一步地，所述反应器腔体设有内置或外置的预热机构，利用了反应尾气中的余热用于对进入反应器腔体的原料气体和/或辅助气体进行预热。

进一步地，所述反应器腔体外部设置有与所述预热机构连接的气固分离机构，所述气固分离机构用于分离和收集反应尾气中的粉末材料。

进一步地，所述气固分离机构为密集堆积的颗粒材料床层，所述密集堆积的颗粒材料床层的填充率为20％以上，或50%以上。

进一步地，所述反应器腔体内对应于颗粒产品出料口处还设有筛分机构，还包括与所述筛分机构相连接用于将筛分出的颗粒材料进行粉碎的研碎器。所述反应器腔体底部设有循环固体出料口，其通过管路与所述颗粒加料斗导通。

进一步地，所述动态发生机构为原料气体喷嘴和/或辅助气体喷嘴，所述原料气体喷嘴和/或辅助气体喷嘴设置在所述反应器腔体内，分别与原料气体入口和设置在反应器腔体上的辅助气体入口相连，或者所述动态发生机构为能够将位于反应器腔体下端的颗粒材料输送至反应器腔体上端的颗粒输送机构，所述颗粒输送机构进料端与循环固体出料口连接，所述颗粒输送机构出料端与颗粒加料料斗连接。本发明中颗粒的输运不受限于气体，可以采用机械方式，所以反应有一较大的操作空间。

进一步地，所述颗粒运输机构，至少包括以下机构之一：

所述颗粒运输机构为机械提升机构或气动输送机构，所述机械提升机构为斗式提升机，螺杆提升机或震动提升机；所述气动输送机构为密相气动输送设备、稀相气动输送设备、文丘里气动输送设备或真空气动输送设备；

所述斗式提升机包括：倾倒料斗、下导槽和上导槽，所述倾倒料斗通过提升设备可往返于反应器腔体的上端和下端，所述倾倒料斗位于反应器腔体上端时可通过上导槽与颗粒加料料斗连通，所述上导槽远离倾倒料斗的一端为出料端，所述倾倒料斗位于反应器腔体下端时可通过下导槽与循环固体出料口连通，所述下导槽远离倾倒料斗的一端为进料端。

进一步地，所述加热机构为内置加热机构，至少包括以下机构之一：

设置于所述反应区的发热体，用于对形成的堆积颗粒床层加热；

内设有热源的换热管，所述换热管设置于所述反应区，并穿设在反应器腔体侧壁中；

当所述颗粒材料是导电材料时，与所述堆积颗粒床层电连接的电源。

进一步地，所述气帘机构为设置在反应器腔体内壁上的多个通气口，且该多个通气口的设置方式能使通入的辅助气体沿反应器腔体内壁形成气帘；或者

所述气帘机构为设置在反应器腔体内环绕反应器腔体内壁的环形管，所述环形管与辅助气体源相通，所述环形管上设置有多个出气口，所述出气口的设置方式能使辅助气体喷出时沿反应腔体内壁形成气帘。

进一步地，所述反应器腔体内壁采用与所生产的颗粒材料相同的材料或对颗粒材料不产生污染的材料制备。例如生产多晶硅材料可用高纯硅、高纯碳化硅、高纯氮化硅、石英或石墨等在高温下不会扩散杂质进入反应器腔体内的材料。可减少或避免反应器腔体材质对材料的污染和在高温条件下有足够的机械强度。

进一步地，所述反应器还包括用于对所得到的颗粒材料初品进行整理的表面整理机构，得到表面光洁的颗粒材料，经过表面处理的颗粒材料冷却收集包装或直接输送到下游生产工段。所述表面整理机构为含有浓度为0-10％的原料气体的反应腔体。

进一步地，所述反应器腔体内设有1-50个锥状分布器，使反应器腔体内相应形成1-50个反应单元。

进一步地，所述反应单元的高度为0.5－50米；或者，所述反应器腔体的高度为0.5－100米。

本发明的另一个目的是还提供了一种采用上述反应器生产颗粒材料的方法，包括如下步骤：

a.通过颗粒加料斗向反应器腔体内加入颗粒材料种子，使所述颗粒材料种子在反应区形成堆积颗粒床层，并使所述堆积颗粒床层中的颗粒材料种子填充率为20％以上，或50%以上；所述填充率为颗粒材料种子占反应区内的体积；

b.使所述堆积颗粒床层中的颗粒材料种子处于相对运动状态；

加热所述堆积颗粒床层，使所述堆积颗粒床层达到反应所需的温度；

c.自原料气体入口通入辅助气体和原料气体，使原料气体发生分解反应而在颗粒种子上沉积形成颗粒材料初品，并通过锥状分布器排放到下一区域；

d.补充颗粒材料种子，维持堆积颗粒床层的动态平衡，并使所补充的颗粒材料种子下行时与原料气体顺流接触；

上述步骤a、b、c和d的顺序没有限制，并且使原料气体在达到锥状分布器前完全反应。

进一步地，所用反应器中，所述锥状分布器为多个，沿反应器腔体自上而下间隔设置，所述原料气体入口也为多个，相应设于每个锥状分布器上部，且至少在不高于最下部的锥状分布器的位置设有一个所述尾气出口；所述方法还包括：

利用所述多个锥状分布器的设置形成多个反应单元，每个反应单元均设置有堆积颗粒床层形成的反应区，使来自前一反应区的颗粒材料初品与所通入的原料气体顺流接触，原料气体发生分解进一步形成沉积，得到尺寸增加了的颗粒材料初品；

来自最后一个反应单元的颗粒材料初品从颗粒产品出料口排出，得到所述颗粒材料。

进一步地，由气帘机构在反应器腔体内壁上形成气帘，所述反应器的气帘机构为：

设置在反应器腔体内壁上的多个通气口，且该多个通气口的设置方式能使通入的辅助气体沿反应器腔体内壁形成气帘；或者

所述气帘机构为设置在反应器腔体内环绕反应器腔体内壁的环形管，所述环形管与辅助气体源相通，所述环形管上设置有多个出气口，所述出气口的设置方式能使辅助气体喷出时沿反应腔体内壁形成气帘；

形成气帘的方法为，通过所述气帘机构向反应器腔体内通入辅助气体，使辅助气体在反应器腔体内沿内壁流动，实现对所得到的颗粒材料初品与反应器腔体内壁、和/或原料气体与反应器腔体内壁的阻隔。

进一步地，所述反应器的加热机构为内置加热机构，至少包括以下机构之一：

设置于所述反应区的发热体，用于对形成的堆积颗粒床层加热；

内设有热源的换热管，所述换热管设置于所述反应区，并穿设在反应器腔体侧壁中；

当所述颗粒材料是导电材料时，与所述堆积颗粒床层电连接的电源；

所述方法还包括：利用所述内置加热机构对所形成的堆积颗粒床层进行加热，以使所通入的原料气体发生反应。

进一步地，还包括：从所述反应尾气中分离出粉末材料，将所述粉末材料加入所述堆积颗粒床层；或者

将部分生产得到的颗粒材料爆裂成小颗粒材料，将所述小颗粒材料加入所述堆积颗粒床层。

进一步地，所述从所述反应尾气中分离出粉末材料的过程具体为：使所述反应尾气经过具有密集堆积的颗粒材料床层的气固分离机构，收取粉末材料，所述密集堆积的颗粒材料床层的填充率为20％以上。还可对分离出粉末材料后的反应尾气按气体成分进行分离，将分离出的辅助气体输送回反应器腔体中循环利用。

进一步地，还包括对生产得到的颗粒材料初品进行表面处理的过程：将所述颗粒材料初品经过含有浓度为0－10％的原料气体的反应腔体。

进一步地，所述反应器腔体内对应于颗粒产品出料口处还设有筛分机构，所述反应器腔体底部设有循环固体出料口，其通过管路与所述颗粒加料斗导通；所述方法还包括：

对反应得到的颗粒材料初品进行筛分处理，尺寸未达到规定的颗粒材料初品从循环固体出料口排出，并作为补充的颗粒材料种子返回反应器腔体中参加反应；对尺寸达到规定的颗粒材料初品进行表面处理。

进一步地，使所述堆积颗粒床层中的颗粒材料种子处于相对运动状态的方法包括：

将辅助气体和/或原料气体喷射入反应器腔体内搅动堆积颗粒床层；或者

采用变径反应器腔体和改变补充颗粒材料种子的速度来控制颗粒材料种子在反应器腔体中的停留时间；或者

引入外力进行喷动、转动、搅动、拌动、振动或使颗粒材料种子在重力下流动通过反应器腔体内壁上安装的交错流梳篦结构。

进一步地，所述辅助气体为或惰性或不参加反应的气体，所述辅助气体可用于稀释原料气体、搅拌堆积颗粒床层以防结块和产生气帘防止原料气体入口和反应器腔体内壁沉积固体材料；

所述辅助气体为惰性气体或不参加反应的气体；所述原料气体为：含有目标材料的化合物和/或能与其发生氧化、还原、碳化或氮化反应的气体；所述颗粒材料为自然状态下能独自存在的单质或含有这些单质的化合物（如氮化物、碳化物、氧化物或硫化物），或者以下一种：锗单质、碳单质、硅单质、镍单质、钛单质、碳化硅、氧化硅、镍的氮化物、镍的碳化物、钛的氮化物、钛的碳化物。所述颗粒材料还可以是自然状态下能独自存在的单质以及它们的化合物。

进一步地，所述反应所需的温度为100-3000℃，反应器腔体内的压力为0.001-100MPa。

本发明提供的生产颗粒材料的反应器和方法，与目前采用的流化床工艺生产颗粒材料比较主要具有以下几方面优点：

1、原料气体送入反应器腔体后与颗粒材料种子顺流接触下行一段距离，无需设置气体分布器就可实现原料气与颗粒材料种子的充分接触，克服了或减少了原料气体进口由于颗粒沉积而形成的堵塞，实现了反应器的平稳连续运行；

2、颗粒材料初品在自锥状分布器广口向窄口方向移动时，受到锥状分布器内壁的挤压，增大了各颗粒材料初品间的摩擦，进而减少了颗粒材料初品间的团聚，提高了颗粒材料的品质；

3、由于锥状分布器的导向作用，尾气沿锥筒间的气体通道溢出，在锥状反应器外围形成一向上的气体流路，形成气帘，可间隔原料气与反应器腔体内壁，防止原料气分解沉积在反应器内壁上。

此外，部分反应尾气上行与原料气混合，起到辅助气的作用，减少了辅助气的消耗的同时还降低了尾气排放量。颗粒材料初品与反应尾气下行至锥状分布器，颗粒材料初品和尾气流动路径的半径逐渐减小，密度较大的颗粒材料将密度较小的反应尾气挤压，尾气自各锥筒间的气体通道流出锥状反应器，实现了固体物料与气体物料的分离，提高了颗粒材料收率，降低了尾气中的粉末材料含量，减少粉尘的产生和溢出，增加了原料气体的利用率，降低运行成本。

综上，本发明实现了节能、连续、低成本长时间连续稳定生产颗粒材料。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a为实施例一提供的生产颗粒材料的反应器示意图；

图1b为图1a中锥状分布器结构示意图；

图2为颗粒输运机构结构示意图；

图3a、图3b为反应器腔体气帘的结构示意图；

图3c、图3d为原料气体进气管路气帘的结构示意图。

图4为实施例三提供的生产高纯硅颗粒材料的反应器示意图。

具体实施方式

实施例一

图1a为实施例一提供的生产颗粒材料的反应器示意图；图1b为图1a中锥状分布器结构示意图；图2为颗粒输运机构结构示意图；图3a、图3b为反应器腔体气帘的结构示意图；图3c、图3d为原料气体进气管路气帘的结构示意图。

将本实施提供的生产颗粒材料的反应器用于由原料气体（硅烷）热解生成颗粒材料（硅）。

如图1a所示的生产颗粒材料的反应器包括：反应器腔体1；

反应器腔体1至少设置有颗粒加料斗2、原料气体入口3、颗粒产品出料口4、和尾气出口5；其中，反应器腔体1内还设置有三个锥状分布器7，沿反应器腔体1自上而下间隔设置。使反应器腔体内相应形成3个反应单元。反应单元的高度为0.5米；所述反应器腔体的高度为5米。可以理解，根据反应的需要可调整反应器腔体内锥状分布器个数，反应器腔体内锥状分布器的个数优选为1-50个，使反应器腔体内相应形成1-50个反应单元。

如图1b所示，锥状分布器7由7个两端开口的锥筒（锥筒个数由反应器腔体内径确定，反应器腔体内径越大锥筒个数越多）同向套设组成，且该锥状分布器7的广口端向上，相邻二个锥筒通过上锥筒的下沿与下锥筒内侧壁之间固定而成一体，并形成有气体通道，最上部的锥筒的上端缘与反应器腔体1内侧壁固定，并形成有气体通道，且相邻二个锥筒的侧壁之间具有供气体流通的间隙，锥状分布器7在反应器腔体1内的设置位置低于原料气入口3的设置位置，锥状分布器7上部区域能提供通过堆积颗粒床层所形成的反应区；

锥状分布器7的锥筒的横截面与反应器腔体1横截面均为圆形。相适应的锥状分布器7的锥筒的横截面，可减少或防止颗粒材料初品从锥状分布器7与反应器腔体1间的缝隙流动，使尽量多的颗粒材料从锥状分布器7的中心区域通过。

锥状分布器7的相邻锥筒之间通过焊接固定，且焊接方式为上锥筒的下沿通过间隔点焊与下锥筒的内侧壁固定，并使焊点之间区域形成气流通道；锥状分布器7最上部的锥筒与反应器腔体1内壁之间通过间隔点焊实现二者的焊接固定，并使焊点之间的区域形成气流通道。除焊接固定以外，还可采用其他固定方式，如螺栓连接。

本实施例中原料气体入口3也为三个，相应设于每个锥状分布器7上部；

尾气出口5的设置在低于最下部的锥状分布器7的反应器腔体1侧壁上，尾气出口5用于排放尾气，尾气包括反应气体分解后的气体（H₂）和辅助气体（H₂），当因停电等原因导致反应器运行不畅时，尾气中还可能包含少量的原料气体；

颗粒加料斗2设于反应器腔体1上部，颗粒产品出料口4设于反应器腔体1下部；

反应器腔体1还包括能提供反应物料与反应器腔体1内壁间的阻隔作用的气帘机构；如图3a和图3b所示，气帘机构为设置在反应器腔体内壁上的多个通气口，且该多个通气口的设置方式能使通入的辅助气体沿反应器腔体1内壁形成气帘，此外，气帘机构还可以设置在与原料气体入口连接的原料体进气管路上，如图3c和图3d所示，原料气体进气管设置有通气孔，通过通气孔向原料进气管路中通入辅助气体（单箭头），让辅助气体沿管路平行或螺旋的方式流动，使原料气体（双箭头）与管路内壁分隔；气帘机构还可以为设置在反应器腔体1内的顶端或底端，环绕反应器腔体1内壁的环形管，环形管与辅助气体源相通，环形管上设置有多个出气口，出气口的设置方式能使辅助气体喷出时沿反应腔体内壁形成气帘。

如图1a所示，反应器腔体1内，第二个锥状分布器和第三个锥状分布器上的反应区都设置有内置的加热机构8，加热机构8为埋入堆积颗粒床层的发热体。除内置加热机构外，还可在反应区对应的反应器腔体外壁上设置外置的加热机构，但对于大内径(300mm以上)反应器，优先的加热方式为内置加热机构，内置加热机构为至少以下一种：设置于反应区的发热体，用于对形成的堆积颗粒床层加热；或内设有热源的换热管，换热管设置于所述反应区，并穿设在反应器腔体侧壁中，热源可以是燃烧加热或电加热；或当颗粒材料是导电材料时，与堆积颗粒床层电连接的电源。

反应器腔体1还设有外置动态发生机构，动态发生机构用于使反应区的堆积颗粒床层处于运动状态。本实施所采用的动态发生机构为能够将位于反应器腔体下端的颗粒材料输送至反应器腔体上端的颗粒输送机构。具体结构和运行机理如图2所示，颗粒运输机构包括：倾倒料斗13、下导槽11和上导槽12，倾倒料斗13通过提升设备可往返于反应器腔体的上端和下端，所述倾倒料斗13位于反应器腔体上端时可通过上导槽12与颗粒加料料斗2连通，上导槽12远离倾倒料斗13的一端为出料端，倾倒料斗13位于反应器腔体下端时可通过下导槽11与循环固体出料口9连通，下导槽11远离倾倒料斗13的一端为进料端。本发明中颗粒的输运不受限于气体，而采用机械方式，所以反应有一较大的操作空间。

除此之外，动态发生机构还可以采用：原料气体喷嘴和/或辅助气体喷嘴，原料气体喷嘴和/或辅助气体喷嘴设置在反应器腔体内，分别与原料气体入口和设置在反应器腔体上的辅助气体入口相连。

反应器腔体1还设有外置的预热机构，用于对进入反应器腔体1的原料气体和/或辅助气体进行预热，有效利用了反应余热，降低了生产成本。

反应器腔体1外部还设置有与预热机构连接的气固分离机构，气固分离机构用于分离和收集反应尾气中的粉末材料。气固分离机构为密集堆积的颗粒材料床层，密集堆积的颗粒材料床层的填充率为20％以上，或为50%以上。

反应器腔体1内对应于颗粒产品出料口4处还设有筛分机构10。还包括与筛分机构10相连接用于将筛分出的颗粒材料进行粉碎的研碎器，当颗粒材料种子不足时，可将一部分颗粒材料粉碎送回反应器腔体1中作为颗粒材料种子。反应器腔体1底部设有循环固体出料口9，其通过颗粒运输机构与颗粒加料斗2导通。

反应器腔体1内壁采用高纯硅制备，可以理解还可选用其他与所生产的颗粒材料相同的材料或对颗粒材料不产生污染的材料制备。本反应器腔体1内壁还可采用高纯碳化硅、高纯氮化硅、石英或石墨等在高温下不会扩散杂质进入反应器腔体1内的材料。

反应器还包括用于对所得到的颗粒材料初品进行整理的表面整理机构，得到表面光洁的颗粒材料，经过表面处理的颗粒材料冷却收集包装或直接输送到下游生产工段。表面整理机构为含有浓度为0-10％的原料气体的反应腔体。当反应腔体中不含有原料气体时（即含有0%的原料气体），各颗粒材料初品通过相互摩擦，使其表面变得光洁；当反应腔体中含有原料气体时，除各颗粒材料初品间的相互摩擦外，低浓度的原料气体分解后在颗粒材料初品表面沉积，进一步使使颗粒材料初品表面变得光洁；经过表面处理的颗粒材料初品成为颗粒材料，颗粒材料冷却收集包装或直接输送到下游生产工段。

为了使尾气中有效成分可进一步分离后并循环利用，在反应器腔体1外部还设置有尾气处理机构，尾气处理结构设置在预热机构与原料气体入口3之间，将可利用气体分离并循环利用。

结合图1a、图1b、图2、图3a、图3b、图3c和图3d，描述采用本实施例所述反应器生产硅的方法，包括如下步骤：

a.通过颗粒加料斗2向反应器腔体1内加入颗粒材料种子（颗粒材料种子可以是购置的颗粒材料、反应尾气中分离出粉末材料、由颗粒输运机构送回的尺寸未达到要求的颗粒材料或粉碎后的颗粒材料），使所述颗粒材料种子在反应区形成堆积颗粒床层，并使堆积颗粒床层中的颗粒材料种子的填充率为20%以上，或50%以上。

为了使成堆积颗粒床层中颗粒材料之间的自由空间较小，进而提高填充率，可以采取加压、喷动床和下行移动床等操作，具体措施还可以包括移动床（竖直和水平，倾斜）增加颗粒堆积密度，减少自由空间从而减少了气相粉末生成和加速粉末向颗粒的聚合。

b.采用颗粒输送机构使堆积颗粒床层中的颗粒材料种子处于相对运动状态，本实施例采用的颗粒输送机构为斗式提升机，斗式提升机的工作步骤为：位于反应器腔体下端未到达产品尺寸要求的颗粒材料由循环固体出料口9通过下导槽11的引导流入到可倾倒料斗13中，当可倾倒料斗13被装满之后，下导槽11关闭，未到达产品尺寸要求的颗粒材料停止流动，可倾倒料斗13被提升到反应器腔体1的上端，上导槽12开启，且与可倾倒料斗13联通，可倾倒料斗13中的颗粒材料经上导槽12引导流入颗粒加料斗2，进入反应器腔体1，反应器腔体1内的颗粒材料种子在重力作用下由上而下运动，保持堆积颗粒材料床层中的颗粒材料种子处于相对运动状态。可倾倒料斗13中的颗粒材料清空后，又返回反应器腔体1的下端与下导槽11联通，重新装料，然后重复上述动作。值得注意的是整个颗粒材料的输送应在H2或惰性气体的氛围下进行，以免高温颗粒材料被其他气体（如氯气）污染而降低品质。

上述颗粒输送机构是一个颗粒搬运的较为经济的方法。传统流化床生产颗材料时利用原料气体来悬浮颗粒材料种子，需要大量气体支撑，通常流化床需要有一个最小的流化速度Umf来维持操作。而本实施例中用机械的方法来移动颗粒材料种子，而不依赖于气体。辅助气体和原料气体的流量不受传统流化床最低浮起流速的限制，气流可以小于临界流化速度气流速度可以控制在0.01Umf-10Umf之间。由此可以带来如下好处：节约气流，减少加热和能量损失，减少尾气处理量，减少污染；使本发明的在生产时操作范围大，气体可多可少，不会因为原料的临时减少而停产。

此外，使所述堆积颗粒床层中的颗粒材料种子处于相对运动状态的方法还包括：1）将辅助气体和/或原料气体喷射入反应器腔体内，使堆积颗粒床层处于运动状态；2）引入外力进行如喷动、转动、搅动、拌动、振动或重力下流动通过反应器腔体内壁上安装的交错流梳篦结构；3）使反应器处于其他引力场（如离心力场等）下；4）使用搅拌床；5）使用振动床（包括机械振动、声波或超声波振动、插入式振动等）；6）采用变径反应器腔体和改变补充颗粒材料种子的速度来控制颗粒材料种子在反应器腔体中的停留时间。

利用埋入堆积颗粒床层的发热体加热所述堆积颗粒床层，使堆积颗粒床层达到反应所需的温度，以使所通入的原料气体发生分解反应，硅烷分解生成硅的最佳反应温度为300-1200℃；

c.自原料气体入口3通入辅助气体（氢气）和原料气体（硅烷），辅助气体与原料气体一同加入反应器腔体用于稀释原料气体和搅拌堆积颗粒床层以防结块；

本反应器腔体中的三个锥状分布器7的形成三个反应单元，每个反应单元均设置有堆积颗粒床层形成的反应区，原料气体与颗粒材料种子（或颗粒材料出品）顺流接触，原料气体发生分解反应在颗粒种子上沉积形成尺寸增加了的颗粒材料初品，颗粒材料初品和尾气自锥状分布器7广口向窄口方向移动，颗粒材料初品和尾气流动路径的半径逐渐减小，带来了以下好处：一方面密度较大的颗粒材料将密度较小的反应尾气挤压，尾气各锥筒间的气体通道射流出锥状反应器，射流出的尾气形成一个分隔反应器腔体1内壁与堆积颗粒床层的气帘，避免在反应器腔体内壁沉积材料；另一方面颗粒材料初品在自锥状分布器广口向窄口方向移动时，受到锥状分布器内壁的挤压，增大了各颗粒材料初品间的摩擦，进而减少了颗粒材料初品间的团聚，提高了颗粒材料的品质；又一方面密度较大的颗粒材料将密度较小的反应尾气挤压，尾气自各锥筒间的气体通道流出锥状反应器，实现了固体物料与气体物料的分离，提高了颗粒材料收率，降低了尾气中的粉末材料含量，减少粉尘的产生和溢出，增加了原料气体的利用率，降低运行成本；

颗粒材料初品通过锥状分布器7中心排放到下一反应单元；将来自最后一个（第三个）反应单元的颗粒材料初品进行筛分处理，尺寸未达到规定的颗粒材料初品从循环固体出料口排出，通过颗粒输送机构运输，作为补充的颗粒材料种子返回反应器腔体1中参加反应；通脱筛分处理还可将产品颗粒的大小控制在所需要的最佳尺寸范围内，不仅可以减少可能的表面污染（当颗粒较小时，会由于其较大的表面积而易收到污染），也更有利于下游生产中的应用；

为了提高颗粒材料品质，还需对筛分得到尺寸达到规定的颗粒材料初品进行表面处理：将从颗粒产品出料口4排出的颗粒材料初品经过含有浓度为0－10％的原料气体的反应腔体，浓度较低的原料气体对颗粒材料表面进行致密涂层，从而使每个颗粒材料的表面光亮整洁。生产得到的颗粒材料进行表面处理后，进入冷却器经惰性气体冷却，最后收集包装或直接输送到下游生产工段；

原料气体送入反应器腔体后与颗粒材料种子顺流接触下行一段距离，无需设置气体分布器就可实现原料气与颗粒材料种子的充分接触，克服了或减少了原料气体进口由于颗粒沉积而形成的堵塞，实现了反应器的平稳连续运行；

d.补充颗粒材料种子，维持堆积颗粒床层的动态平衡，并使充的颗粒材料种子下行时与原料气体顺流接触；

上述步骤a、b、c和d的顺序没有限制，并且使原料气体在达到锥状分布器7前完全分解，原料气体在达到锥状分布器7前完全分解是通过控制反应条件如反应温度、原料气体流速等反应条件完成的。

为了减少原料气体在反应器腔体内壁或原料气进气管路上沉积，本实施例还采用了如图3a和图3b所示的气帘机构，通过气帘机构向反应器腔体1内通入辅助气体，使辅助气体在反应器腔体1内沿其内壁流动，实现对所得到的颗粒材料初品与反应器腔体1内壁、和/或原料气体与反应器腔体1内壁的阻隔，实现减少颗粒材料初品对反应器腔体内壁的摩擦、和/或原料气体在反应器腔体内壁的沉积。如图3c和图3d所示，设置在原料气体进气管路上的气帘机构，让辅助气体沿管路平行或螺旋的方式流动，使原料气体与管路内壁分隔，壁免了原料气体分解后在管道内壁沉积。

本实施例中的颗粒材料种子主要来源于反应器下端循环固体出料口的尺寸未达到标准的颗粒材料。此外也可从反应尾气中分离出粉末材料，将粉末材料加入堆积颗粒床层；当未达标的颗粒材料和粉末材料不能满足需要时，还可通过将部分生产得到的颗粒材料爆裂或通入研碎器中粉碎成小颗粒材料，将所述小颗粒材料再加入堆积颗粒床层。为了更好的捕获反应尾气中的粉末材料，并将其作为补充的颗粒材料种子，本实施例生产颗粒材料的方法还可以包括：使尾气经过具有密集堆积的颗粒材料床层的气固分离机构，收取粉末材料，密集堆积的颗粒材料床层的填充率为20以上，或50％以上，该过程不仅可以防止粉末材料进入反应下游，而且可以简单、无污染的产生颗粒材料种子。还可对分离出粉末材料后的反应尾气按气体成分进行分离，将分离出的辅助气体输送回反应器腔体中循环利用。还可将尾气作为预热机构中的热源，与颗粒材料种子、原料气体或辅助气体进行换热。

实施例二

本实施例公开了一种采用生产颗粒材料的反应器生产颗粒材料的方法热分解羰基镍制备镍颗粒材料，包括以下步骤：

a.通过颗粒加料斗向反应器腔体内加入镍颗粒材料种子，使镍颗粒材料种子在反应区形成堆积颗粒床层，并使堆积颗粒床层中的镍颗粒材料种子填充率为60％以上；填充率为镍颗粒材料种子占反应区内的体积。

b.采用变径反应器腔体和改变补充镍颗粒材料种子的速度来控制镍颗粒材料种子在反应器腔体中的停留时间，且使堆积颗粒床层中的镍颗粒材料种子处于相对运动状态；

加热堆积颗粒床层，该加热方法是将堆积镍颗粒床层与电源电连接，即给堆积镍颗粒床层加电压，因堆积镍颗粒床层的填充率高达60%，镍颗粒材料间距小，可通电利用镍颗粒材料自身电阻放热来进行加热，使堆积颗粒床层达到羰基镍热分解温度180-300℃；

c.自原料气体入口通入辅助气体（惰性气体）和原料气体（羰基镍），使原料气体发生分解反应而在镍颗粒种子上沉积形成镍颗粒材料初品，并通过锥状分布器排放到下一区域；锥状分布器为5个，沿反应器腔体自上而下间隔设置，原料气体入口也为5个，相应设于每个锥状分布器上部，且至少在低于最下部的锥状分布器的位置设有一个尾气出口；利用5个锥状分布器的设置形成5个反应单元，每个反应单元均设置有堆积颗粒床层形成的反应区，使来自前一反应区的颗粒材料初品与所通入的原料气体顺流接触，原料气体发生分解进一步形成沉积，得到尺寸增加了的镍颗粒材料初品；来自最后一个反应单元的镍颗粒材料初品经设置在颗粒产品出料口处的筛分机构进行筛分，尺寸未达到规定的镍颗粒材料初品从循环固体出料口排出，并作为补充的镍颗粒材料种子返回反应器腔体中参加反应；对尺寸达到规定的镍颗粒材料初品进行表面处理，得到镍颗粒材料。

d.补充镍颗粒材料种子，维持堆积颗粒床层的动态平衡，并使充的镍颗粒材料种子下行时与原料气体顺流接触；

上述步骤a、b、c和d的顺序没有限制，并且使原料气体在达到锥状分布器前完全分解。

实施例三

图4为实施例三提供的生产高纯硅颗粒材料的反应器示意图。

由图4可见，本实施例提供的生产高纯硅颗粒材料的反应器为内动式密堆积床层反应器，可用于硅烷热解生成颗粒高纯硅等其他相关反应。

反应器如图所示，包括反应器腔体，反应器腔体底部为倒锥形，倒锥形的下端设置有辅助气体入口414，辅助气体入口414可用于输送辅助气体（氢气）；反应器腔体中部的侧壁上设置有百叶窗分布器和尾气出口416；反应器腔体的顶部设置有种子加料口401和原料气体入口415；反应器腔体侧壁分布器的上端设置有产品出料口422，所述倒锥形的侧壁上还设置有加热机构403。

本实施例的工作原理：高纯硅种子自种子加料口401加入反应器腔体，在反应器腔体中形成密堆固体床层，密度计的高纯硅种子的填充率达到50%以上，密堆固体床层上通有电流，可加热密堆固体床层。辅助气体（氢气）采用脉冲或连续方式喷入倒锥形的底部，进入反应器腔体从而搅动反应器密堆床层中的高纯硅种子，使高纯硅种子作循环运动。原料气体自反应器腔体顶部进入通过密堆固体床层，在到达反应器腔体侧壁之前完全分解，并在高纯硅种子表面沉积，达到产品尺寸要求的高纯硅颗粒自产品出口422排出反应器腔体颗粒收集器保持相对于反应器的正压，不让原料气体进入。

整个反应过程中不易在反应器腔体侧壁沉积高纯硅，一方面原料气体自反应器腔体上部通过密堆固体床层，自反应器腔体两侧排出（如图4中反应腔内箭头所示），在与反应器腔体侧壁上设置的分布器接触前已经完全分解，并沉积在高纯硅种子表面，防止了高纯硅沉积在反应器腔体侧壁上；另一方面辅助气体自倒锥形入口进入反应器腔体，会由于反应器腔体倒锥形的设计导致辅助气体在倒锥形侧壁上形成趋于侧壁的涡流，也就是在倒锥形侧壁形成气帘，也阻止了高纯硅的沉积。同时减少了分解粉尘的产生和溢出。

同样地，也可以在倒锥形的底部分布若干个气体入口，让辅助气体沿着倒锥形内壁上行，而硅烷从倒锥形中心喷出，这种喷动是间断式。每次给出的脉冲喷动能搅动堆积的颗粒床层，而不至于让全部气体一下子穿透床层而形成喷动床，而只要气体脉动在搅动床层后，又从层床中发散出去之后就进行一个脉冲，其操作类似于气体固体颗粒混合器。

本实施例提供的生产高纯硅颗粒材料的反应器的其他部件，如颗粒输运机构、表面整理机构和气帘机构与实施例一相同，未在图中示出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (27)

1.一种生产颗粒材料的反应器，包括：反应器腔体；其特征在于，

所述反应器腔体至少设置有颗粒加料斗、原料气体入口、颗粒产品出料口和尾气出口；其中，

所述反应器腔体内设置有至少一个锥状分布器，所述锥状分布器由二个以上两端开口的锥筒同向套设组成，且该锥状分布器的广口端向上，相邻二个锥筒通过上锥筒的下沿与下锥筒内侧壁之间固定而成一体，并形成有气体通道，最上部的锥筒的上端缘与反应器腔体内侧壁固定，并形成有气体通道，且相邻二个锥筒的侧壁之间具有供气体流通的间隙，所述锥状分布器在反应器腔体内的设置位置低于原料气入口的设置位置，所述锥状分布器上部区域能提供通过堆积颗粒床层所形成的反应区；

所述尾气出口的设置位置不高于所述锥状分布器；

所述颗粒加料斗设于反应器腔体上部，所述颗粒产品出料口设于反应器腔体下部；

所述反应器腔体还包括能提供反应物料与反应器腔体内壁间的阻隔作用的气帘机构；所述反应器腔体还设有用于对所述反应区形成加热的内置或外置加热机构；

所述反应器腔体还设有内置或外置动态发生机构，所述动态发生机构用于使所述反应区的堆积颗粒床层处于运动状态。

2.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述锥状分布器的锥筒的横截面与反应器腔体横截面相适应。

3.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述锥状分布器的相邻锥筒之间通过分隔单元分隔并固定，使分隔单元之间的区域形成气流通道；所述锥状分布器最上部的锥筒与反应器腔体内壁之间固定，并使固定点之间的区域形成气流通道。

4.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述锥状分布器为多个，沿反应器腔体自上而下间隔设置，所述原料气体入口也为多个，相应设于每个锥状分布器上部，且至少在不高于最下部的锥状分布器的位置设有一个所述尾气出口。

5.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述反应器腔体设有内置或外置的预热机构，用于对进入反应器腔体的原料气体和/或辅助气体进行预热。

6.根据权利要求5所述反应器，其特征在于，所述反应器腔体外部设置有与所述预热机构连接的气固分离机构，所述气固分离机构用于分离和收集反应尾气中的粉末材料。

7.根据权利要求6所述反应器，其特征在于，所述气固分离机构为密集堆积的颗粒材料床层，所述密集堆积的颗粒材料床层的填充率为50％以上。

8.根据权利要求5所述反应器，其特征在于，所述反应器腔体内对应于颗粒产品出料口处还设有筛分机构，所述反应器腔体底部设有循环固体出料口，其通过管路与所述颗粒加料斗导通。

9.根据权利要求8所述反应器，其特征在于，所述动态发生机构为原料气体喷嘴和/或辅助气体喷嘴，所述原料气体喷嘴和/或辅助气体喷嘴设置在所述反应器腔体内，分别与原料气体入口和设置在反应器腔体上的辅助气体入口相连，或者

所述动态发生机构为能够将位于反应器腔体下端的颗粒材料输送至反应器腔体上端的颗粒输送机构，所述颗粒输送机构进料端与循环固体出料口连接，所述颗粒输送机构出料端与颗粒加料料斗连接。

10.根据权利要求9所述反应器，其特征在于，所述颗粒输送机构为机械提升机构或气动输送机构，所述机械提升机构为斗式提升机，螺杆提升机或震动提升机；所述气动输送机构为密相气动输送设备、稀相气动输送设备、文丘里气动输送设备或真空气动输送设备；

所述斗式提升机包括倾倒料斗、下导槽和上导槽，所述倾倒料斗通过提升设备可往返于反应器腔体的上端和下端，所述倾倒料斗位于反应器腔体上端时可通过上导槽与颗粒加料料斗连通，所述上导槽远离倾倒料斗的一端为出料端，所述倾倒料斗位于反应器腔体下端时可通过下导槽与循环固体出料口连通，所述下导槽远离倾倒料斗的一端为进料端。

11.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述加热机构为内置加热机构，至少包括以下机构之一：

设置于所述反应区的发热体，用于对形成的堆积颗粒床层加热；

内设有热源的换热管，所述换热管设置于所述反应区，并穿设在反应器腔体侧壁中；

当所述颗粒材料是导电材料时，与所述堆积颗粒床层电连接的电源。

12.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，

所述气帘机构为设置在反应器腔体内壁上的多个通气口，且该多个通气口的设置方式能使通入的辅助气体沿反应器腔体内壁形成气帘；或者

所述气帘机构为设置在反应器腔体内环绕反应器腔体内壁的环形管，所述环形管与辅助气体源相通，所述环形管上设置有多个出气口，所述出气口的设置方式能使辅助气体喷出时沿反应腔体内壁形成气帘。

13.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述反应器腔体内壁采用与所生产的颗粒材料相同的材料制备。

14.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述反应器还包括用于对所得到的颗粒材料初品进行整理的表面整理机构，所述表面整理机构为含有浓度为0-10％的原料气体的反应腔体。

15.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述反应器腔体内设有1-50个锥状分布器，使反应器腔体内相应形成1-50个反应单元。

16.根据权利要求15所述反应器，其特征在于，所述反应单元的高度为0.5－50米；或者，所述反应器腔体的高度为0.5－100米。

17.一种采用权利要求1-16任意一项所述反应器生产颗粒材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.通过颗粒加料斗向反应器腔体内加入颗粒材料种子，使所述颗粒材料种子在反应区形成堆积颗粒床层，并使所述堆积颗粒床层中的颗粒材料种子填充率为20％以上；

b.使所述堆积颗粒床层中的颗粒材料种子处于相对运动状态；

加热所述堆积颗粒床层，使所述堆积颗粒床层达到反应所需的温度；

c.自原料气体入口通入辅助气体和原料气体，使原料气体发生分解反应而在颗粒种子上沉积形成颗粒材料初品，并通过锥状分布器排放到下一区域；

d.补充颗粒材料种子，维持堆积颗粒床层的动态平衡，并使所补充的颗粒材料种子下行时与原料气体顺流接触；

上述步骤a、b、c和d的顺序没有限制，并且使原料气体在达到锥状分布器前完全分解；

其中，所述锥状分布器为多个，沿反应器腔体自上而下间隔设置，所述原料气体入口也为多个，相应设于每个锥状分布器上部，且至少在不高于最下部的锥状分布器的位置设有一个所述尾气出口；所述方法还包括：

利用所述多个锥状分布器的设置形成多个反应单元，每个反应单元均设置有堆积颗粒床层形成的反应区，使来自前一反应区的颗粒材料初品与所通入的原料气体顺流接触，原料气体发生分解进一步形成沉积，得到尺寸增加了的颗粒材料初品；

来自最后一个反应单元的颗粒材料初品从颗粒产品出料口排出，得到所述颗粒材料。

18.根据权利要求17所述方法，其特征在于，由气帘机构在反应器腔体内壁上形成气帘，所述反应器的气帘机构为：

设置在反应器腔体内壁上的多个通气口，且该多个通气口的设置方式能使通入的辅助气体沿反应器腔体内壁形成气帘；或者

所述气帘机构为设置在反应器腔体内环绕反应器腔体内壁的环形管，所述环形管与辅助气体源相通，所述环形管上设置有多个出气口，所述出气口的设置方式能使辅助气体喷出时沿反应腔体内壁形成气帘；

形成气帘的方法为，通过所述气帘机构向反应器腔体内通入辅助气体，使辅助气体在反应器腔体内沿内壁流动，实现对所得到的颗粒材料初品与反应器腔体内壁、和/或原料气体与反应器腔体内壁的阻隔。

19.根据权利要求17所述方法，其特征在于，所述反应器的加热机构为内置加热机构，至少包括以下机构之一：

设置于所述反应区的发热体，用于对形成的堆积颗粒床层加热；

内设有热源的换热管，所述换热管设置于所述反应区，并穿设在反应器腔体侧壁中；

当所述颗粒材料是导电材料时，与所述堆积颗粒床层电连接的电源；

所述方法还包括：利用所述内置加热机构对所形成的堆积颗粒床层进行加热，以使所通入的原料气体发生分解反应。

20.根据权利要求17所述方法，其特征在于，还包括：从所述反应尾气中分离出粉末材料，将所述粉末材料加入所述堆积颗粒床层；或者

将部分生产得到的颗粒材料爆裂成小颗粒材料，将所述小颗粒材料加入所述堆积颗粒床层。

21.根据权利要求20所述方法，其特征在于，所述从所述反应尾气中分离出粉末材料的过程具体为：使所述反应尾气经过具有密集堆积的颗粒材料床层的气固分离机构，收取粉末材料，所述密集堆积的颗粒材料床层的填充率为20％以上。

22.根据权利要求17所述方法，其特征在于，还包括对生产得到的颗粒材料初品进行表面处理的过程：将所述颗粒材料初品经过含有浓度为0－10％的原料气体的反应腔体。

23.根据权利要求17所述方法，其特征在于，所述反应器腔体内对应于颗粒产品出料口处还设有筛分机构，所述反应器腔体底部设有循环固体出料口，其通过管路与所述颗粒加料斗导通；

所述方法还包括：对反应得到的颗粒材料初品进行筛分处理，尺寸未达到规定的颗粒材料初品从循环固体出料口排出，并作为补充的颗粒材料种子返回反应器腔体中参加反应。

24.根据权利要求17所述方法，其特征在于，使所述堆积颗粒床层中的颗粒材料种子处于相对运动状态的方法包括：

将辅助气体和/或原料气体喷射入反应器腔体内搅动堆积颗粒床层；或者

采用变径反应器腔体和改变补充颗粒材料种子的速度来控制颗粒材料种子在反应器腔体中的停留时间；或者

引入外力进行喷动、转动、搅动、拌动、振动或使颗粒材料种子在重力下流动通过反应器腔体内壁上安装的交错流梳篦结构。

25.根据权利要求17所述方法，其特征在于，所述辅助气体为惰性气体或不参加反应的气体；所述原料气体为：含有目标材料的化合物和/或能与其发生氧化、还原、碳化或氮化反应的气体；所述颗粒材料为自然状态下能独自存在的单质或含有这些单质元素的化合物。

26.根据权利要求17所述方法，其特征在于，所述颗粒材料为以下一种：锗单质、碳单质、硅单质、镍单质、钛单质、碳化硅、氧化硅、镍的氮化物、镍的碳化物、钛的氮化物、钛的碳化物。

27.根据权利要求17所述方法，其特征在于，所述反应所需的温度为100-3000℃，反应器腔体内的压力为0.001-100MPa。