CN102786056A - 多晶硅还原生产装置及方法 - Google Patents

Abstract

多晶硅还原生产装置及方法。一种多晶硅还原生产方法，包括：将第一路高纯三氯氢硅气体与高纯氢气混合均匀后送入第一还原炉发生还原反应，排出包括三氯氢硅、氢气、四氯化硅以及氯化氢的一级尾气，通过冷凝分离出一级尾气中的四氯化硅，剩余一级尾气作为多晶硅生产的还原气体原料。本发明能够减少在多晶硅生产中的能耗，降低生产成本；同时还有利于提高多晶硅产品的质量。

Description

多晶硅还原生产装置及方法

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还原生产装置及方法。

背景技术

多晶硅制备是一个高耗能的产业，改进工艺降低生产成本成为各企业可持续发展的重点。目前多晶硅企业还原工序通常的生产流程如图1，高纯三氯氢硅（SiHCl₃）进入汽化器被汽化后与高纯氢气（H₂）进入混合器均匀混合后分别送入多个还原炉（还原炉1，还原炉2，还原炉3…），在还原炉内1100℃的高温硅芯上发生还原反应生成多晶硅，并将副产物还原尾气送入冷凝器。还原尾气被冷凝后，将冷凝液体SiHCl₃和四氯化硅（SiCl₄）送入提纯塔，在提纯塔中分离出SiHCl₃送入三氯氢硅储罐循环利用，分离出的SiCl₄外售。不凝气体H₂和氯化氢（HCl）被送入分离系统。在分离系统中分离出H₂送入氢气储罐循环利用，分离出的HCl外售。

在现有的多晶硅还原工序中，至少存在如下缺陷：1）余热没有得到充分的利用，能耗大；2）多晶硅产品的质量一般。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷之一，提供一种多晶硅还原生产装置及方法，减少在多晶硅生产中的能耗，降低生产成本的同时，还有利于提高多晶硅产品的质量。

根据本发明的一个方面，提供了一种多晶硅还原生产方法，包括：将第一路高纯三氯氢硅气体与高纯氢气混合均匀后送入第一还原炉发生还原反应，排出包括三氯氢硅、氢气、四氯化硅以及氯化氢的一级尾气，通过冷凝分离出一级尾气中的四氯化硅，剩余一级尾气作为多晶硅生产的还原气体原料。

优选地，上述的方法中，所述分离出四氯化硅的一级尾气与第二路高纯三氯氢硅气体混合均匀后送至第二还原炉发生还原反应，排出包括三氯氢硅、氢气、四氯化硅以及氯化氢的二级尾气，通过冷凝分离出二级尾气中的四氯化硅。

在一种实施方式中，分离出四氯化硅的二级尾气与第三路高纯三氯氢硅气体混合均匀后作为多晶硅生产的还原气体原料送入第三还原炉。

在另一种实施方式中，分离出四氯化硅的二级尾气冷凝分离为三氯氢硅液体和氢气、氯化氢气体，其中，三氯化氢作为多晶硅生产的还原气体原料送入其他的还原炉。进一步地，将氢气和氯化氢分离，并将分离后的氢气存储起来或直接作为多晶硅生产的还原气体原料。

根据本发明的另一个方面，还提供一种多晶硅还原生产装置，包括：

氢气储罐；

三氯氢硅储罐；

与三氯氢硅储罐连接的第一汽化器和第二汽化器；

分别与氢气储罐和第一汽化器连接的第一混合器；

与第一混合器连接的第一还原炉；

与第一还原炉连接的第一冷凝器；

与第二汽化器和第一冷凝器连接的第二混合器；

与第二混合器连接的第二还原炉；

与第二还原炉连接的第二冷凝器；以及

与第一冷凝器和第二冷凝器连接的四氯化硅储罐。

优选地，上述的装置还可以包括：

与三氯氢硅储罐连接的第三汽化器；

与第三汽化器和第二冷凝器连接的第三混合器；

与第三混合器连接的第三还原炉；以及

与第三还原炉和四氯化硅储罐连接的第三冷凝器。

在一种实施方式中，上述的装置也还可以包括：

与第三冷凝器连接的二级冷凝器；以及

与二级冷凝器连接的分离系统，

其中，二级冷凝器还与第一汽化器和/或第二汽化器和/或第三汽化器连接，分离系统还与氢气储罐连接。

所述分离系统内可以设置有氢气压缩机。

本发明至少存在以下技术效果：

1）仅将四氯化硅冷凝分离出来，其他组分并未冷凝，因此较传统工艺冷量消耗节省近70％。

2）分离出四氯化硅的剩余尾气仅需补充消耗掉的部分三氯氢硅即可继续进入下一还原生产，因此大部分三氯氢硅不必重复汽化，较传统工艺热能消耗节省近70％。

3）本发明冷凝出四氯化硅后无需用提纯塔对三氯氢硅提纯，相对传统工艺，节省了提纯塔的一次性投资，进而节省了提纯塔塔釜加热的热量，节省了提纯塔塔顶冷却的冷量。

4）三氯氢硅和氢气中的杂质会在生产过程中长入多晶硅中，进而影响多晶硅的质量，本发明中由于在初始阶段两者混合气中的杂质一部分长入了第一还原炉的多晶硅中，而后续补充三氯氢硅量仅有30％左右，因此杂质的代入量也会减少，使得第二还原炉的多晶硅质量会优于第一还原炉；第三还原炉的产品质量又高于第二还原炉；以此类推，最后一台还原炉中的多晶硅产品质量最优。

5）多晶硅的质量还受碳含量的影响，在生产过程中主要杂质形式是甲基氯硅烷。由于其沸点与三氯氢硅接近，在三氯氢硅中较难提纯甲基二氯硅烷。但在还原炉内的高温下，甲基二氯硅烷会裂解成甲基三氯硅烷。利用甲基三氯硅烷沸点高于四氯化硅沸点的特性，通过部分冷凝的方法能够将甲基三氯硅烷随着四氯化硅排出多晶硅生产系统，而新补充三氯氢硅量仅为30％左右，因此能够使最终多晶硅产品的碳含量大幅下降，多晶硅质量大幅提高。

附图说明

图1为传统多晶硅还原生产工艺流程图。

图2为本发明的多晶硅还原生产工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

如图2所示，本发明实施例提供的多晶硅还原生产装置包括：氢气储罐，三氯氢硅储罐，与三氯氢硅储罐连接的第一汽化器和第二汽化器，分别与氢气储罐和第一汽化器连接的第一混合器，与第一混合器连接的第一还原炉，与第一还原炉连接的第一冷凝器，与第二汽化器和第一冷凝器连接的第二混合器，与第二混合器连接的第二还原炉，与第二还原炉连接的第二冷凝器，以及与第一冷凝器和第二冷凝器连接的四氯化硅储罐。

本发明的多晶硅还原生产装置，还可以包括与三氯氢硅储罐连接的第三汽化器，与第三汽化器和第二冷凝器连接的第三混合器，与第三混合器连接的第三还原炉，以及与第三还原炉和四氯化硅储罐连接的第三冷凝器。

工作时，第一路高纯三氯氢硅在第一汽化器内被汽化后与高纯氢气一起通入第一混合器中混合均匀后进入第一还原炉，在炉内1050-1150℃，优选为1100℃的高温硅芯表面发生反应生成多晶硅，其副产物还原尾气送入第一冷凝器。还原尾气内含有H₂、HCl、SiHCl₃和SiCl₄，其中由于SiCl₄的沸点最高，因此可通过控制第一冷凝器的温度，将还原尾气中的SiCl₄液化后送入四氯化硅缓冲罐。不凝气体SiHCl₃、HCl、H₂送入第二混合器，因其中所含的SiHCl₃在第一还原炉中部分被消耗，需要补充大概30％的SiHCl₃后能送入第二还原炉。补充的第二路高纯SiHCl₃在第二汽化器内被汽化后送入第二混合器，与第二混合器中的SiHCl₃、HCl、H₂混合均匀后作为多晶硅生产的还原气体原料送入第二还原炉，反应后的还原尾气送入第二冷凝器。将第二冷凝器中的SiCl₄液化后送入四氯化硅缓冲罐。不凝气体SiHCl₃、HCl、H₂送入第三混合器。补充的第三路高纯SiHCl₃在第三汽化器中被汽化后与第三混合器中的不凝气体混合均匀后作为多晶硅生产的还原气体原料送入第三还原炉。在炉内发生反应后，副产物还原尾气送入第三冷凝器。

由于第一冷凝器和第二冷凝器仅是将还原尾气中的SiCl₄冷凝分离出，而未将还原尾气中的HCl分离出来，在不凝气体经过数台还原炉生产的过程中，还原尾气中的HCl含量会不断积累。积累的HCl会与炉内多晶硅发生反应腐蚀多晶硅；当HCl的含量过高时，则会影响多晶硅的产量或造成硅棒表面腐蚀孔现象；更严重者还会引起多晶硅棒倒棒。因此在HCl富集到一定程度的时候需要将HCl分离出来。在本发明中，可以通过先将SiHCl₃和SiCl₄冷凝分离后，再将不凝H₂和HCl的混合气体通入分离系统中将其分离开来。

于是在本发明中，具体多少数量的还原炉可以按本发明方式连续运行的决定因素是HCl对多晶硅的腐蚀程度；而HCl的产出量和对多晶硅的腐蚀程度又与还原炉内的温度、混合气内各组分的配比等条件有关。在本发明的一个实施例中，为了便于描述本发明的工作方法，将仅在3个还原炉循环并积累的还原尾气中的HCl分离出来。在该实施例中，本发明的多晶硅还原生产装置还可以包括与第三冷凝器连接的二级冷凝器；以及与二级冷凝器连接的分离系统，其中，二级冷凝器还与第一汽化器和/或第二汽化器和/或第三汽化器连接，分离系统还与氢气储罐连接。

在该实施例中，通过控制第三冷凝器的温度，将还原尾气中的SiCl₄液化送入四氯化硅缓冲罐；而不凝气体SiHCl₃、HCl、H₂则送入二级冷凝器。其中由于SiHCl₃的沸点最高，因此可通过控制二级冷凝器的温度，将还原尾气中的SiHCl₃液化送入第一汽化器和/或第二汽化器和/或第三汽化器内循环使用。并将不凝气体HCl和H₂送入分离系统，在分离系统中分离出HCl外售，H₂则送入氢气储罐循环使用。作为本领域技术人员了解的常识，使氢气循环利用必须补充氢气系统再传输过程中的压力损失，因此一般会在分离系统内设置氢气压缩机对整个氢气系统进行补压。传统工艺因不同还原炉并联因此氢气循环总量很大，电耗、一次性投资较高；而本发明中数台还原炉氢气循环使用，氢气循环总量大幅度减少，电耗、一次性投资也得以大幅度降低。

本发明在实际应用中，还可以将第一混合器出气与第一还原炉出气进行换热，第二混合器出气与第二还原炉出气进行换热，以此类推，既可以降低冷凝时所需的冷量，又能够提高进还原炉时的进气温度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。例如只要是通过控温冷凝分离出还原尾气中的SiCl₄后，其他不凝气再进入下台还原炉循环使用的方式均应当属于本发明范围。

Claims (9)

1.一种多晶硅还原生产方法，包括：将第一路高纯三氯氢硅气体与高纯氢气混合均匀后送入第一还原炉发生还原反应，排出包括三氯氢硅、氢气、四氯化硅以及氯化氢的一级尾气，通过冷凝分离出一级尾气中的四氯化硅，剩余一级尾气作为多晶硅生产的还原气体原料。

2.根据权利要求1所述的多晶硅还原生产方法，其特征在于，所述分离出四氯化硅的一级尾气与第二路高纯三氯氢硅气体混合均匀后送至第二还原炉发生还原反应，排出包括三氯氢硅、氢气、四氯化硅以及氯化氢的二级尾气，通过冷凝分离出二级尾气中的四氯化硅。

3.根据权利要求2所述的多晶硅还原生产方法，其特征在于，分离出四氯化硅的二级尾气与第三路高纯三氯氢硅气体混合均匀后作为多晶硅生产的还原气体原料送入第三还原炉。

4.根据权利要求2所述的多晶硅还原生产方法，其特征在于，分离出四氯化硅的二级尾气冷凝分离为三氯氢硅液体和氢气、氯化氢气体，其中，三氯化氢作为多晶硅生产的还原气体原料送入其他的还原炉。

5.根据权利要求4所述的多晶硅还原生产方法，其特征在于，将氢气和氯化氢分离，并将分离后的氢气存储起来或直接作为多晶硅生产的还原气体原料。

6.一种多晶硅还原生产装置，包括：

氢气储罐；

三氯氢硅储罐；

与三氯氢硅储罐连接的第一汽化器和第二汽化器；

分别与氢气储罐和第一汽化器连接的第一混合器；

与第一混合器连接的第一还原炉；

与第一还原炉连接的第一冷凝器；

与第二汽化器和第一冷凝器连接的第二混合器；

与第二混合器连接的第二还原炉；

与第二还原炉连接的第二冷凝器；以及

与第一冷凝器和第二冷凝器连接的四氯化硅储罐。

7.根据权利要求6所述的多晶硅还原生产装置，其特征在于，还包括：

与三氯氢硅储罐连接的第三汽化器；

与第三汽化器和第二冷凝器连接的第三混合器；

与第三混合器连接的第三还原炉；以及

与第三还原炉和四氯化硅储罐连接的第三冷凝器。

8.根据权利要求7所述的多晶硅还原生产装置，其特征在于，还包括：

与第三冷凝器连接的二级冷凝器；以及

与二级冷凝器连接的分离系统，

其中，二级冷凝器还与第一汽化器和/或第二汽化器和/或第三汽化器连接，分离系统还与氢气储罐连接。

9.根据权利要求8所述的多晶硅还原生产装置，其特征在于，所述分离系统内设置有氢气压缩机。

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