CN102815702B

CN102815702B - 一种硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置及工艺

Info

Publication number: CN102815702B
Application number: CN201210281841.5A
Authority: CN
Inventors: 陈德伟; 陈惠祥; 郑安雄; 廖敏
Original assignee: ZHEJIANG ZHONGNING SILICON CO Ltd
Current assignee: ZHEJIANG ZHONGNING SILICON CO Ltd
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: CN102815702A

Abstract

本发明公开了一种硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置及工艺。流化床反应器上部为反应器加热区，下部为反应器反应区，流化床反应器顶部设有硅晶种加入口、反应器尾气出口，流化床反应器底部设有反应气硅烷进气入口、多晶硅颗粒产品取出口，流化床反应器下部设有反应气氢气进入口；反应器尾气出口、尾气一级冷却器、尾气二级冷却器、压缩机、吸附塔、尾气分析系统顺次相连；气液分离罐入口管线、气液分离罐、气液分离罐液态硅烷出口管线、尾气一级冷却器、返回提纯系统的硅烷管线顺次相连；混合气体直接返回管线、反应器硅烷进气入口顺次相连；气液分离罐顶部设有分离后氢气出口。本发明具有投资少，能耗低，成本低，无污染排放等优势。

Description

一种硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置及工艺。

背景技术

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原材料，是全球电子及光伏产业的基础。现今世界上生产高纯度多晶硅的较为成熟的工艺有改良西门子法，冶金法及新硅烷法，其中新硅烷法和改良西门子法占据了当今发展的主要潮流。就生产产品种类而言，新硅烷法既可生产粒状多晶硅又可生产棒状多晶硅,改良西门子法则主要生产棒状多晶硅。新硅烷法与改良西门子法相比,具有反应温度较低、热效率高、电耗低、原料消耗低、硅烷提纯容易、产品纯度高等特点。特别是随着近几年来直拉单晶硅炉连续加料系统制造技术的发展及其在直拉单晶硅生产工艺上的应用,新硅烷法生产粒状多晶硅工艺成为一种很有前途的新工艺,必将得到较快的发展。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能耗低，反应尾气不需要大量分离，可以连续化生产且密闭循环的硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置及工艺。

硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置包括反应气氢气进入口、反应气硅烷进气入口、硅晶种加入口、反应器加热区、反应器反应区、多晶硅颗粒产品取出口、反应器尾气出口、尾气一级冷却器、尾气二级冷却器、压缩机、气液分离罐入口管线、气液分离罐、气液分离罐氢气出口管线、气液分离罐液态硅烷出口管线、返回提纯系统的硅烷管线、混合气体直接返回管线、尾气分析系统、吸附塔；流化床反应器上部为反应器加热区，流化床反应器下部为反应器反应区，流化床反应器顶部设有硅晶种加入口、反应器尾气出口，流化床反应器底部设有反应气硅烷进气入口、多晶硅颗粒产品取出口，流化床反应器下部设有反应气氢气进入口；反应器尾气出口、尾气一级冷却器、尾气二级冷却器、压缩机、吸附塔、尾气分析系统顺次相连；气液分离罐入口管线、气液分离罐、气液分离罐液态硅烷出口管线、尾气一级冷却器、返回提纯系统的硅烷管线顺次相连；混合气体直接返回管线、反应器硅烷进气入口顺次相连；气液分离罐顶部设有分离后氢气出口。

所述的样品分析系统组成，样品分析系统是色谱分析仪、在线分析仪，分析范围为0. 0%～50%。

所述的一级冷器、二级冷却器、压缩机、吸附塔、气液分离罐组成混合气体分离系统，采用低温液体冷却分离硅烷和氢气，低温液体是液氮或液氨

硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅工艺的步骤如下：

1) 摩尔比为1.5%～20%的高纯硅烷和高纯氢气送入流化床反应器进行热分解反应，流化床反应器内反应的温度为500～1000℃，高纯硅烷的质量百分浓度为1.5%～20%，沉积在硅晶种表面得到粒状多晶硅；

2) 流化床反应器直接输出高纯硅粒，或者将高纯硅粒送进温度为800度的过热器，进一步除杂质，然后将其定向凝固后得到太阳能级多晶硅颗粒；

3）流化床反应器里的尾气，经过过滤、冷却、压缩后，进入氢气和硅烷分析系统；

4）流化床反应器尾气分析系统对硅烷氢气混合尾气中的硅烷进行含量分析，再将该混合气体重新返回流化床反应器进行反应；

5）在返回的混合气体量达到运行要求的前提下，尾气中多余的氢气硅烷混合气体进入混合气体的分离系统进行分离；

6）混合气体分离系统对多余尾气中的氢气和硅烷进行分离，分离所得的氢气进入到氢气储罐备用，硅烷则通过反应尾气一级冷却器回收能量，然后返回到硅烷净化塔重新提纯。

所述的高纯硅烷和高纯氢气的纯度≥6N。所述的硅晶种粒径为0.05～0.5mm。

尾气分析系统是由样品采集系统。

本发明通过硅烷气体的热分解，得到一种可以连续化生产的高纯度颗粒硅产品，该产品纯度≥6N，为太阳能级多晶硅。同时该工艺与通常生产多晶硅的西门子法和CVD炉法工艺比较，具有投资少，能耗低，成本低，无污染排放等优势。

附图说明

图1是硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置结构示意图；

图2是实施例1中反应尾气中硅烷的摩尔浓度示意图；

图3是实施例2中反应尾气中硅烷的摩尔浓度示意图；

图4是实施例3中反应尾气中硅烷的摩尔浓度示意图；

图5是实施例4中反应尾气中硅烷的摩尔浓度示意图；

图中：反应气氢气进入口1、反应气硅烷进气入口2、硅晶种加入口3、反应器加热区4、反应器反应区5、多晶硅颗粒产品取出口6、反应器尾气出口7、尾气一级冷却器8、尾气二级冷却器9、压缩机10、气液分离罐入口管线11、气液分离罐12、气液分离罐氢气出口管线13、气液分离罐液态硅烷出口管线14、返回提纯系统的硅烷管线15、混合气体直接返回管线16、尾气分析系统17、吸附塔18。

具体实施方式

如图1所示，硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置包括反应气氢气进入口1、反应气硅烷进气入口2、硅晶种加入口3、反应器加热区4、反应器反应区5、多晶硅颗粒产品取出口6、反应器尾气出口7、尾气一级冷却器8、尾气二级冷却器9、压缩机10、气液分离罐入口管线11、气液分离罐12、气液分离罐氢气出口管线13、气液分离罐液态硅烷出口管线14、返回提纯系统的硅烷管线15、混合气体直接返回管线16、尾气分析系统17、吸附塔18 ；流化床反应器上部为反应器加热区4，流化床反应器下部为反应器反应区5，流化床反应器顶部设有硅晶种加入口3、反应器尾气出口7，流化床反应器底部设有反应气硅烷进气入口2、多晶硅颗粒产品取出口6，流化床反应器下部设有反应气氢气进入口1；反应器尾气出口7、尾气一级冷却器8、尾气二级冷却器9、压缩机10、吸附塔18、尾气分析系统17顺次相连；气液分离罐入口管线11、气液分离罐12、气液分离罐液态硅烷出口管线14、尾气一级冷却器8、返回提纯系统的硅烷管线15顺次相连；混合气体直接返回管线16、反应器硅烷进气入口2顺次相连；气液分离罐12顶部设有分离后氢气出口13。

尾气分析系统17是由样品采集系统，样品分析系统组成，样品分析系统是色谱分析仪、在线分析仪，分析范围为0. 0%～50%。

一级冷器8、二级冷却器9、压缩机10、吸附塔18、气液分离罐12组成混合气体分离系统，采用低温液体冷却分离硅烷和氢气，低温液体是液氮或液氨。

硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅工艺的步骤如下：

实施例1

在直径为1000mm的反应器中从进气口添加45kg/h高纯氢气和25kg/h高纯硅烷的反应混合气体，混合气体的摩尔浓度控制在2-3%之间，从反应器顶部晶种输送口加入400kg的晶种，晶种每1-2小时添加一次，反应器出口粒状硅产品每1-2小时排放一次。反应气体喷嘴的出口内的射流速度位80m/s。反应器压力为0.1-0.12Mpa，流化床温度630-650^oC，电加热功率100KW。实验结果显示：沉积了超过7kg/h的具有适合于太阳能应用的品质的硅颗粒，硅颗粒直径在0.9-1.2mm之间的占95%。对反应尾气的分析表明，反应尾气中硅烷的摩尔浓度在1.0-1.5%（如图2所示），转化率在55%左右。另外，在该方法中由于气流速度比较快，而且硅烷浓度比较低，硅烷均相分解的几率比较低，所以无定型硅粉含量比较低，仅为3%左右。

实施例2

在直径为1000mm的反应器中从进气口添加24kg/h高纯氢气和45kg/h高纯硅烷的反应混合气体，混合气体的摩尔浓度控制在10-11%之间，从反应器顶部晶种输送口加入400kg的晶种，晶种每1-2小时添加一次，反应器出口粒状硅产品每1-2小时排放一次。反应气体喷嘴的出口内的射流速度位80m/s。反应器压力为0.2-0.22Mpa，流化床温度630-650^oC，电加热功率100KW。实验结果显示：沉积了超过26kg/h的具有适合于太阳能应用的品质的硅颗粒，硅颗粒直径在0.8-0.9mm之间的占89%。对反应尾气的分析表明，反应尾气中硅烷的摩尔浓度在3.5-4.0%（如图3所示），转化率在65%左右。另外，在该方法中由于气流速度比较快，硅烷均相分解的几率比较低，所以无定型硅粉含量比较高，仅为12%左右。

实施例3

在直径为1000mm的反应器中从进气口添加24kg/h高纯氢气和54kg/h高纯硅烷的反应混合气体，混合气体的摩尔浓度控制在12-13%之间，从反应器顶部晶种输送口加入360kg的晶种，晶种每1-2小时添加一次，反应器出口粒状硅产品每1-2小时排放一次。反应气体喷嘴的出口内的射流速度位40m/s。反应器压力为0.2-0.22Mpa，流化床温度630-650^oC，电加热功率100KW。实验结果显示：沉积了超过32kg/h的具有适合于太阳能应用的品质的硅颗粒，硅颗粒直径在1.8-2.2mm之间的占91%。对反应尾气的分析表明，反应尾气中硅烷的摩尔浓度在2.4-3.6%（如图4所示），转化率在70%左右。另外，在该方法中由于气流速度比较慢，硅烷均相分解的几率比较高，所以无定型硅粉含量比较高，仅为19%左右。

实施例4

在直径为1000mm的反应器中从进气口添加24kg/h高纯氢气和54kg/h高纯硅烷的反应混合气体，混合气体的摩尔浓度控制在12-13%之间，从反应器顶部晶种输送口加入360kg的晶种，晶种每1-2小时添加一次，反应器出口粒状硅产品每1-2小时排放一次。反应气体喷嘴的出口内的射流速度位40m/s。反应器压力为0.2-0.22Mpa，流化床温度680-720^oC，电加热功率100KW。实验结果显示：沉积了超过36kg/h的具有适合于太阳能应用的品质的硅颗粒，硅颗粒直径在2.1-2.5mm之间的占88%。对反应尾气的分析表明，反应尾气中硅烷的摩尔浓度在2.2-3.2%（如图5所示），转化率在74%左右。无定型硅粉含量比较高，仅为16%左右。

Claims

1.一种硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置，其特征在于包括反应气氢气进入口（1）、反应气硅烷进气入口（2）、硅晶种加入口（3）、反应器加热区（4）、反应器反应区（5）、多晶硅颗粒产品取出口（6）、反应器尾气出口（7）、尾气一级冷却器（8）、尾气二级冷却器（9）、压缩机（10）、气液分离罐入口管线（11）、气液分离罐（12）、气液分离罐氢气出口管线（13）、气液分离罐液态硅烷出口管线（14）、返回提纯系统的硅烷管线（15）、混合气体直接返回管线（16）、尾气分析系统（17）、吸附塔（18）；流化床反应器上部为反应器加热区（4），流化床反应器下部为反应器反应区（5），流化床反应器顶部设有硅晶种加入口（3）、反应器尾气出口（7），流化床反应器底部设有反应气硅烷进气入口（2）、多晶硅颗粒产品取出口（6），流化床反应器下部设有反应气氢气进入口（1）；反应器尾气出口（7）、尾气一级冷却器（8）、尾气二级冷却器（9）、压缩机（10）、吸附塔（18）、尾气分析系统（17）顺次相连；气液分离罐入口管线（11）、气液分离罐（12）、气液分离罐液态硅烷出口管线（14）、尾气一级冷却器（8）、返回提纯系统的硅烷管线（15）顺次相连；混合气体直接返回管线（16）、反应器硅烷进气入口（2）顺次相连；气液分离罐（12）顶部设有分离后氢气出口（13）。

2.按权利要求1所述的一种硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置，其特征在于：所述的尾气分析系统（17）是由样品采集系统，样品分析系统组成，样品分析系统是色谱分析仪、在线分析仪，分析范围为0. 0%～50%；

3.按权利要求1所述的一种硅烷法流化床生产高纯粒状多晶硅装置，其特征在于：所述的尾气一级冷却器（8）、尾气二级冷却器（9）、压缩机（10）、吸附塔（18）、气液分离罐（12）组成混合气体分离系统，采用低温液体冷却分离硅烷和氢气，低温液体是液氮或液氨。