CN102849740B - 一种多晶硅生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可简化工艺、降低能耗、节约成本的多晶硅的生产工艺。使用氯氢化技术，代替了传统生产系统中的合成工序和冷氢化工序。本发明中使用冷凝器和纯化器，代替了传统生产系统中的干法回收系统。通过氢气在氯氢化和还原两工序之间建立的大循环，可将还原产生的氢气作为氯氢化的补充气，因此使得运行成本得以下降。因为实现了氯氢化、还原氢气大循环，则仅需在冷凝器后配置一套氢气循环压缩机即可，既节省了能量，又因只有一级压缩一次性配置的压缩机及其备用机的数量大大减少，从而降低了一次性投资和运行成本10%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种多晶硅的生产工艺，尤其是一种可简化工艺、降低能耗、节约成本的多晶硅的生产系统。
背景技术
目前国内外80%以上的多晶硅企业都采用改良西门子法，但由于其热氢化工序四氯化硅的转化率较低、能耗较高，因此已有部分多晶硅制造企业用冷氢化工艺替代了传统的热氢化来实现生产系统中的氯硅烷闭路循环，并达到节能降耗的目的。
冷氢化原本是硅烷法中前期用以制备三氯氢硅的工序，将其直接引入改良西门子法中，虽然相比传统的改良西门子法其能耗得以大幅度降低，但由于是两个不同系统之间的整合，因此仍具有继续优化的空间。
公告号为CN101372336的发明专利公开了一种的多晶硅生产方法，对生产过程中的还原尾气进行了回收、提纯、冷凝，但是仍使用的是干法回收技术，需要使用液态四氯化硅淋洗除杂质，还需要吸收剂、吸附剂及吸附和解吸附等流程，因此设备和工艺流程比较复杂。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种可简化工艺、降低能耗、节约成本的多晶硅的生产工艺。
本发明通过如下技术方案实现：
一种多晶硅生产工艺，包括尾气回收、提纯、冷凝工艺，其特征在于，具体包括如下步骤：
工业硅粉与四氯化硅、氢气在氯氢化工序中的反应器发生反应，生成氢气和三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷，通过低温冷凝将三氯氢硅和四氯化硅冷凝，氢气送入纯化器，冷凝后的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷送入初次精馏工序；
来自氯氢化工序的三氯氢硅、四氯化硅混合氯硅烷在初次精馏工序分离，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，高纯三氯氢硅送入还原工序；
来自氯氢化的氢气在纯化器中提纯成为高纯氢气后经过缓冲罐及减压阀来调节压力后送入还原工序；
来自纯化器的高纯氢气与来自初次精馏工序的高纯三氯氢硅在还原工序发生反应生成多晶硅，还原工序产生的还原尾气送入冷凝器；
来自还原工序的还原尾气在冷凝器中分离，再经过压缩机升压后，氢气和氯化氢作为不凝气体送入氯氢化工序中循环使用，三氯氢硅、四氯化硅的混和氯硅烷冷凝为液体送入再次精馏工序；
来自冷凝器的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷在再次精馏工序中分离，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，高纯三氯氢硅送入还原炉循环使用。
优选的是，四氯化硅、氢气和氯化氢混合后通过一个进口进入氯氢化工序中的反应器。
在上述任一技术方案中优选的是，初次精馏和再次精馏工序使用提纯塔去除高低沸物。
在上述任一技术方案中优选的是，高纯三氯氢硅的纯度为99.99%以上。
在上述任一技术方案中优选的是，纯化器的工作压力为1.2Mpa~3.8Mpa。
在上述任一技术方案中优选的是，冷凝器中的工作温度为0~-45℃。
在上述任一技术方案中优选的是，纯化器中装有吸附碳氢化合物的物质。
在上述任一技术方案中优选的是，纯化器中装有分子筛。
在上述任一技术方案中优选的是，纯化器使用13X型分子筛。
在上述任一技术方案中优选的是，还原炉运行压力为0.05Mpa~0.6Mpa。
本发明中使用氯氢化技术，代替了传统生产系统中的合成工序和冷氢化工序。传统生产系统中合成工序生成的混合氯硅烷与冷氢化工序生成的混合氯硅烷由于组分差距较大，需分别配置一组提纯塔；在引入氯氢化技术后，由于合成反应和氢化反应是在一个反应系统内进行的，因此可需配置一套提纯塔，从而大幅度降低了一次性投资和运行成本。合成工序是由氯化氢和硅粉反应生成三氯氢硅，该反应是一个放热反应，其反应热通过循环水冷却散热；冷氢化工序是由氢气、硅粉和四氯化硅反应生成三氯氢硅，该反应是一个吸热反应，其热量来源由电加热器提供。综上，本发明使用了氯氢化技术则将原本合成反应产生的热直接由氯氢化反应吸收，无需循环水冷却散热，因此使得运行成本得以下降。
本发明中使用冷凝器和纯化器，代替了传统生产系统中的干法回收系统。
传统生产系统中的干法回收工序包括了冷凝、吸收、脱吸和吸附四个阶段，并通过上述四个阶段来完成氯硅烷、氯化氢和氢气的分离，其中氯硅烷送入精馏工序，氯化氢送入合成工序、氢气送入还原工序。而本发明仅使用了冷凝器和纯化器，从而大幅降低了一次性投资和运行成本。传统生产系统中冷氢化工序和还原工序的氢气均为自循环，冷氢化工序的反应后气体通过冷凝，其不凝气体氢气重新返回冷氢化循环使用；还原工序的反应后气通过干法回收工序将氢气分离出来后重新返回还原循环使用；而本发明中还原工序的反应后气通过冷凝器后全部氢气和氯化氢作为不凝气体送入氯氢化，而氯氢化工序的反应后气通过冷凝，其不凝气体氢气经过纯化后送入还原。还原工序中是生成氢气的反应，在传统工艺中为保持其物料平衡，则需在生产过程中不断的排放氢气；冷氢化工序中的消耗氢气的反应，在传统工艺中为保持其物料平衡，则需在生产过程中不断的补充氢气。而本发明通过氢气在氯氢化和还原两工序之间建立的大循环，可将还原产生的氢气作为氯氢化的补充气，因此使得运行成本得以下降。
原冷氢化工序、还原工序为实现氢气自循环，需各自配置一套氢气循环压缩机及其备用机，冷氢化由于需在生产过程中不断补充外购氢气，则还需配置一套补充氢气压缩机。传统系统中，还原炉运行压力一般为0.6Mpa，其副产物还原尾气降压至0.43Mpa后进入干法回收后，在脱吸、吸收及吸附三个阶段需要将还原尾气压力升至1.5Mpa，吸附后的纯氢降压一部分降压为0.6Mpa后送入还原循环使用，一部分升压至冷氢化补充使用，且冷氢化的循环氢气通过其自身工序中的循环氢气压缩机升压后自循环使用；因此全系统为3次升压，2次降压，造成能量浪费。并且，冷氢化中的循环氢气需配置循环氢气压缩机及其备用机，补充氢气需配置补充氢气压缩机及其备用机，干法回收中的还原尾气需配置还原尾气压缩机及其备用机，一次性投资非常大。
而本发明中，因为实现了氯氢化、还原氢气大循环，则仅需在冷凝器后配置一套氢气循环压缩机即可，还原炉产生的还原尾气进入冷凝器冷凝后，不凝气体氢气和氯化氢通过升压进入氯氢化中，在氯氢化中完成反应后，未反应的氢气降压后送入还原使用。仅1次升压，1次降压，既节省了能量，又因只有一级压缩一次性配置的压缩机及其备用机的数量大大减少，从而降低了一次性投资和运行成本10%以上。
附图说明
图1是本发明的多晶硅生产工艺流程图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明，下面结合附图对本发明的优选实施方式进行描述。图1是本发明的多晶硅生产工艺流程图。
实施例一
如图1所示，本发明的多晶硅生产工艺，工业硅粉与四氯化硅、氢气在氯氢化工序中的反应器发生反应，生成氢气和三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷，通过低温冷凝将三氯氢硅和四氯化硅冷凝，氢气送入纯化器，冷凝后的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷送入初次精馏工序，纯化器的工作压力为1.5Mpa；
来自氯氢化工序的三氯氢硅、四氯化硅混合氯硅烷在初次精馏工序分离，去除高低沸物，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，初次精馏产生的纯度为99.99%以上的高纯三氯氢硅送入还原工序；
来自氯氢化的氢气在装有13X型分子筛的纯化器中提纯成为高纯氢气，经过缓冲罐及减压阀来调节压力后后送入还原工序。
来自纯化器的高纯氢气与来自初次精馏工序的高纯三氯氢硅在还原工序发生反应生成多晶硅，还原工序中的还原炉运行压力为0.6Mpa，还原工序产生的还原尾气送入冷凝器，冷凝器温度设置为-45℃，实验证明-45℃既可使纯化系统运行又不至于因温度太低浪费系统能耗。
来自还原工序的还原尾气在冷凝器中分离，再经过压缩机升压后，氢气和氯化氢作为不凝气体送入氯氢化工序中循环使用，三氯氢硅、四氯化硅的混和氯硅烷冷凝为液体送入再次精馏工序；
来自冷凝器的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷在再次精馏工序中分离，去除高低沸物，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，再次精馏工序产生的纯度为99.99%以上的高纯三氯氢硅送入还原炉循环使用。其中来自再次精馏工序的四氯化硅与来自冷凝器的氢气和氯化氢混合后通过一个进口进入氯氢化工序中的反应器。
实施例二
如图1所示，本发明的多晶硅生产工艺，工业硅粉与四氯化硅、氢气在氯氢化工序中的反应器发生反应，生成氢气和三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷，通过低温冷凝将三氯氢硅和四氯化硅冷凝，氢气送入纯化器，冷凝后的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷送入初次精馏工序，纯化器的工作压力为2.0Mpa；
来自氯氢化工序的三氯氢硅、四氯化硅混合氯硅烷在初次精馏工序分离，去除高低沸物，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，初次精馏产生的纯度为99.99%以上的高纯三氯氢硅送入还原工序；
来自氯氢化的氢气在装有13X型分子筛的纯化器中提纯成为高纯氢气，经过缓冲罐及减压阀来调节压力后后送入还原工序。
来自纯化器的高纯氢气与来自初次精馏工序的高纯三氯氢硅在还原工序发生反应生成多晶硅，还原工序中的还原炉运行压力为0.5Mpa，还原工序产生的还原尾气送入冷凝器，冷凝器温度设置为-45℃，实验证明-45℃既可使纯化系统运行又不至于因温度太低浪费系统能耗。
来自还原工序的还原尾气在冷凝器中分离，再经过压缩机升压后，氢气和氯化氢作为不凝气体送入氯氢化工序中循环使用，三氯氢硅、四氯化硅的混和氯硅烷冷凝为液体送入再次精馏工序；
来自冷凝器的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷在再次精馏工序中分离，去除高低沸物，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，再次精馏工序产生的纯度为99.99%以上的高纯三氯氢硅送入还原炉循环使用。其中来自再次精馏工序的四氯化硅与来自冷凝器的氢气和氯化氢混合后通过一个进口进入氯氢化工序中的反应器。
需要说明的是，按照本发明的多晶硅生产工艺及用于该工艺的生产系统的技术方案的范畴包括上述各部分之间的任意组合。
以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种多晶硅生产工艺，包括尾气回收、提纯、冷凝工艺，其特征在于，还包括如下步骤：
工业硅粉与四氯化硅、氢气在氯氢化工序中的反应器发生反应，生成氢气和三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷，通过低温冷凝将三氯氢硅和四氯化硅冷凝，氢气送入纯化器，冷凝后的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷送入初次精馏工序；
来自氯氢化工序的三氯氢硅、四氯化硅混合氯硅烷在初次精馏工序分离，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，高纯三氯氢硅送入还原工序；
来自氯氢化的氢气在纯化器中提纯成为高纯氢气后经过缓冲罐及减压阀来调节压力后送入还原工序；
来自纯化器的高纯氢气与来自初次精馏工序的高纯三氯氢硅在还原工序发生反应生成多晶硅，还原工序产生的还原尾气送入冷凝器；
来自还原工序的还原尾气在冷凝器中分离，再经过压缩机升压后，氢气和氯化氢作为不凝气体送入氯氢化工序中循环使用，三氯氢硅、四氯化硅的混和氯硅烷冷凝为液体送入再次精馏工序；
来自冷凝器的三氯氢硅、四氯化硅的混合氯硅烷在再次精馏工序中分离，四氯化硅送入氯氢化工序循环使用，高纯三氯氢硅送入还原炉循环使用；
冷凝器中的工作温度为0～-45℃；
初次精馏和再次精馏工序使用提纯塔去除高低沸物；
高纯三氯氢硅的纯度为99.99%以上；
所述提纯塔配置一套；
在所述冷凝器后配置一套氢气循环压缩机。
2.如权利要求1所述的多晶硅生产工艺，其特征在于：四氯化硅、氢气和氯化氢混合后通过一个进口进入氯氢化工序中的反应器。
3.如权利要求1所述的多晶硅生产工艺，其特征在于：纯化器的工作压力为1.2Mpa~3.8Mpa。
4.如权利要求1所述的多晶硅生产工艺，其特征在于：纯化器的工作压力为1.5Mpa。
5.如权利要求3所述的多晶硅生产工艺，其特征在于：纯化器中装有吸附碳氢化合物的物质。
6.如权利要求5所述的多晶硅生产工艺，其特征在于：纯化器中装有分子筛。
7.如权利要求1所述的多晶硅生产工艺，其特征在于：还原工序中还原炉运行压力为0.05Mpa~0.6Mpa。
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