CN103466629B - 一种多晶硅还原炉控温节能系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多晶硅还原炉控温节能系统及工艺，其特征在于包括三氯氢硅集中汽化器、氢气预热器、管道静态混合器、还原炉、硅粉过滤器、尾气控温冷却器；所述氢气预热器2连接到所述管道静态混合器3，所述三氯氢硅集中汽化器连接到所述氢气预热器管程；所述管道静态混合器连接到还原炉；所述还原炉4尾气出气口连接到所述尾气控温冷却器壳程高温气相入口，所述尾气控温冷却器壳程低温气相出口连接到所述氢气预热器壳程气相入口。本系统及其使用方法，使得进料组分均匀、进料温度稳定可控，热能利用充分，合理的降低还原炉及系统的能耗，更好地控制多晶硅的生长质量。而且有效地除去尾气管道的硅粉，保护了尾气管路的阀门以及CDI系统的设备。

Description

一种多晶硅还原炉控温节能系统及工艺

技术领域：

本发明涉及一种多晶硅生产，尤其涉及多晶硅还原炉控温节能的模块系统及工艺，属太阳能光伏领域。

背景技术：

20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。从资源、环境、社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。随着太阳能产业的快速发展，我国涌现了多晶硅产业的投资热潮。

目前，国内外生产多晶硅的主要工艺技术是“西门子改良法”：用提纯后的高纯三氯氢硅与氢气按比例混合后，在一定的温度和压力下通入多晶硅还原炉内，在通电高温硅芯上进行沉积反应生成多晶硅，反应温度控制在1080-1100摄氏度左右，最终生成棒状多晶硅产品。而在以前常规的工艺生产过程中，尾气通过循环水冷却后进入尾气回收系统，进料用蒸汽汽化三氯氢硅，再与氢气混合进入还原炉，这样大大浪费了还原炉产生的热能，增加蒸汽和循环水的使用。即使中间环节的蒸汽通过尾气回收系统汽化，也会增加相应设备投入和热损耗。

如在发明专利申请公开说明书CN201110254699.0_“多晶硅生产中还原尾气热能优化回收系统”中公开的文件，其对还原尾气的热能进行梯级利用，主要用于余热锅炉的加热，换热后形成高温蒸汽；二次换热为高温热水，并通过炉筒水闪蒸槽进一步产生蒸汽，实现梯级换热，最终均成为可工业使用的蒸汽，使得尾气热能得利用。

发明专利申请公开说明书CN201210142317.X“一种多晶硅还原炉尾气逐级降温冷却的吸收塔装置及方法”公开了一种使用3-4层级逐级降温的吸收塔，实现尾气热能的逐步回收。

但是以上方案是对尾气的热能先回收后再使用，因此，在回收过程中，因此多次热交换而产生热损耗，同时，在实际生产应用中，作为多晶硅生产单位，能效的使用主要集中在多晶硅的生产，因间隔了中间的回收环节，增加了回收设备，且回收后的热能也难以有效充分的使用，因此，应当针对现有技术进一步改进。

而在发明专利申请公开说明书CN201210202006.8也公开一种“多晶硅还原工艺中热能的回收利用方法、系统及利用该方法和系统的多晶硅还原工艺”，其中尾气依次经过混合气尾气换热管、出入气换热管和列管式鼓泡汽化器三层热交换，然后进入最后回收。

但是，该技术方案中，使用列管式鼓泡汽化器即使用外部热源供热使得三氯氢硅液相汽化，同时利用氢气在三氯氢硅液相中鼓泡加速三氯氢硅的汽化，得到氢气和三氯氢硅的混合气，对于鼓泡式汽化器，如果温度和压力稍有波动，组分就发生变化，混合气的密度就随之变化，因此，即使使用流量计检测也不准确，在控制还原炉进料量时有偏差，存在流量控制不准确、氢气与三氯氢硅摩尔比控制不灵敏的弊端。加上因还原炉尾气的温度在还原炉的工作初始和最后阶段存在较大温差，导致进料在连续三重加热过程中温度不稳定，对进料流量也缺少有效控制，进而导致对晶体硅生成质量的反应迟钝，生产质量难以有效控制；在该技术方案还缺少对冷却水热能的综合运用。

另外，多晶硅还原炉生产是周期批量式的，每炉连续生产时间大约在100小时左右就需要重新装填。炉内发生的反应也是很多的，不同温度有利于不同的反应，我们要选择更有利硅沉积的反应温度。每个生产周期中，随着反应的进行，硅棒的不断长大，加入电流的不断增加，炉内的辐射热也不一样，合理地控制不同时刻进料的温度、流量是十分重要的。

还原炉内的主要反应方程式如下：

主反应：

SiHCl3(g)+H2(g)=Si(s)+3HCl(g)—————(1353K)

部分副反应：

2SiHCl3(g)=Si(s)+2HCl(g)+SiCl4(g)——（热分解）

SiHCl3(g)+H2(g)=SiH2Cl2(g)+HCl(g)

SiHCl3(g)+2H2(g)=SiH3Cl(g)+2HCl(g)

SiHCl3(g)=SiCl2(g)+HCl(g)

2SiHCl3(g)=SiCl4(g)+SiH2Cl2(g)

4SiHCl3(g)=Si(s)+3SiCl4(g)+2H2(g)

等等，因此还原炉尾气包括了氯硅烷、氯化氢和氢气等主要气体。多晶硅的产出方式为原有硅棒表面上的沉积，随着反应的进行，在硅棒表面沉积越多，硅棒的直径越大。同时，三氯氢硅和氢气的消耗量也随直径的增大而增大。所以，多晶硅沉积过程中，三氯氢硅气体和氢气进料量是随着硅棒的直径增大而增大的。三氯氢硅和氢气进料量直接影响多晶硅在硅棒上沉积的速率。因此，有效的控制三氯氢硅和氢气进料量，将在很大程度上有效控制了多晶硅生产产量和质量，防止玉米棒或菜花棒的生成。

本发明主要是分别或同时解决“改良西门子法”多晶硅还原炉生产过程中几个重要的技术问题。

⑴热能利用不充分；

⑵进料温度不稳定，不可控；

⑶三氯氢硅进料流量控制不及时；

⑷不能有效地除去尾气管道的硅粉。

发明内容：

本发明的目的是这样实现一种多晶硅还原炉控温节能系统，包括三氯氢硅集中汽化器1、氢气预热器2、混合器3、还原炉4、硅粉过滤器5、尾气控温冷却器6。所述氢气预热器2管程的热氢气出口连接到所述管道静态混合器3，所述三氯氢硅集中汽化器1的气相三氯氢硅出口连接到所述氢气预热器2管程的热氢气出口管。所述混合器3的混合气体出口连接到还原炉4进气口。所述还原炉4尾气出气口连接到所述尾气控温冷却器6壳程高温气相入口，所述尾气控温冷却器6壳程低温气相出口连接到所述氢气预热器2壳程气相入口。

还原炉130-160度的高温还原炉炉筒回水作为三氯氢硅集中汽化器1汽化三氯氢硅的热源。

进一步的，在还原炉尾气出气口与所述尾气控温冷却器壳程高温气相入口之间，设置硅粉过滤器，所述还原炉尾气出气口连接到所述硅粉过滤器进口，所述硅粉过滤器出口连接到与所述尾气控温冷却器壳程高温气相入口。

进一步的，三氯氢硅集中汽化器的气相三氯氢硅出口连接到氢气预热器管程的热氢气出口管离混合器距离最小处，所述混合器可为管道静态混合器。

进一步的，还原炉的高温还原炉炉筒回水管与三氯氢硅集中汽化器的热交换液管连通，并作为三氯氢硅集中汽化器汽化三氯氢硅的热源。

进一步的，高温还原炉炉筒回水的温度为130-150摄氏度。

进一步的，在每套的三氯氢硅气相进气管上安装质量流量计和控制阀。

进一步的，在氢气预热器管程的热氢气出口管上安装质量流量计和控制阀。

进一步的，氢气预热器管程的还原尾气出口与尾气后处理设备相连接。

进一步的，所述混合器为管道静态混合器。

进一步的，该系统还包括集中闪蒸罐，所述集中闪蒸罐的炉筒冷却水出口连接所述还原炉炉筒冷却水进口，所述还原炉炉筒冷却水出口连接所述集中闪蒸罐炉筒冷却水回水入口及所述三氯氢硅集中汽化器管程入口，所述三氯氢硅集中汽化器管程出口连接所述集中闪蒸罐汽化器回水入口，所述集中闪蒸罐尾气冷却水出口连接所述尾气控温冷却器管程入口，所述尾气控温冷却器管程出口连接集中闪蒸罐尾气冷却水回水入口。

相对应的，一种多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，包括以下过程：

（1）外源的三氯氢硅液体进入三氯氢硅集中汽化器1的壳程，还原炉的的高温还原炉炉筒回水作为三氯氢硅集中汽化器1汽化三氯氢硅的热源，高温炉筒水的回水进入三氯氢硅集中汽化器的管程，汽化三氯氢硅为气相；

（2）外源的氢气气体进入氢气预热器，和高温的还原炉尾气进行热交换；

（3）加热后的氢气和汽化的三氯氢硅进入混合器充分混合；

（4）混合后的气态三氯氢硅和氢气进入还原炉；

（5）还原炉反应后生成的尾气，经夹套冷却水管冷却，然后进入尾气控温冷却器控温；

（6）尾气经过尾气控温冷却器控温后进入氢气预热器，并对氢气预加热。

进一步的改进，在于三氯氢硅采用集中汽化器进行集中汽化，每套三氯氢硅集中汽化器供应并连接一台以上还原炉使用；优选的，三氯氢硅集中汽化器供应4-10台还原炉使用。

优选的，在每套的三氯氢硅气相进气管上安装质量流量计和控制阀，用来调节不同时刻三氯氢硅的气相进料速度。

优选的，在氢气预热器管程的热氢气出口管上安装质量流量计和控制阀，用来调节不同时刻加热氢气的进料速度。

优选的，还原炉尾气进入硅粉过滤器去除多晶硅生长产生的硅粉以及拆炉产生的硅渣和硅粉之后再接入尾气控温冷却器，这样，可以有效地除去尾气管道的硅粉。

优选的，氢气预热器管程的还原尾气出口与尾气后处理设备相连接，用于对尾气的分离、提纯处理和余热利用。

优选的，三氯氢硅集中汽化器管程的冷却水出口与闪蒸罐相连接，用于实现余热利用并生产2bar.g的工业蒸汽的蒸汽供全厂其他地方使用，如精馏塔等。

本发明的有益效果是：

(1)气相热态进料，热能利用充分，合理的降低还原炉及系统的能耗

(2)进料组分均匀、进料温度稳定可控。

(3)三氯氢硅和氢气进料气体流量控制，及时地反映多晶硅生长情况与三氯氢硅、氢气进料气体流量、进气温度的关系；便于有效地控制多晶硅的生长情况。

(4)减少还原炉系统中蒸汽的使用。降低系统的能耗，而且用还原炉130-160度的高温还原炉炉筒回水作为三氯氢硅集中汽化器1汽化三氯氢硅的热源；可以更稳定地控制汽化的量。

(5)有效地除去尾气管道的硅粉，保护了尾气管路的阀门以及CDI系统的设备。

附图说明:

图1为本发明一种多晶硅还原炉控温节能系统实施例1示意图

图2为本发明一种多晶硅还原炉控温节能系统实施例2示意图

附图标记：1三氯氢硅集中汽化器；2氢气预热器；3管道静态混合器；4还原炉；5硅粉过滤器；6尾气控温冷却器；7集中闪蒸罐11质量流量计；12控制阀。

具体实施方式：

实施例1：本发明的多晶硅还原炉控温节能系统，包括三氯氢硅集中汽化器1、氢气预热器2、管道静态混合器3、还原炉4、硅粉过滤器5、尾气控温冷却器6。所述氢气预热器2管程的热氢气出口连接到所述管道静态混合器3，所述三氯氢硅集中汽化器1的气相三氯氢硅出口连接到所述氢气预热器2管程的热氢气出口管离所述管道静态混合器3距离最小处；所述管道静态混合器3的混合气体出口连接到还原炉4进气口；所述还原炉4尾气出气口连接到所述硅粉过滤器5进口，所述硅粉过滤器5出口连接到所述尾气控温冷却器6壳程高温气相入口，所述尾气控温冷却器6壳程低温气相出口连接到所述氢气预热器2壳程气相入口；

实施例2：在本实施例1的进一步改进中还包括集中闪蒸罐7，所述集中闪蒸罐7炉筒冷却水出口连接所述还原炉4炉筒冷却水进口，所述还原炉4炉筒冷却水出口连接所述集中闪蒸罐7炉筒冷却水回水入口及所述三氯氢硅集中汽化器1管程入口，所述三氯氢硅集中汽化器1管程出口连接所述集中闪蒸罐7汽化器回水入口，所述集中闪蒸罐7尾气冷却水出口连接所述尾气控温冷却器6管程入口，所述尾气控温冷却器6管程出口连接集中闪蒸罐7尾气冷却水回水入口。

具体实现的方式为来自外界满足质量要求的三氯氢硅液体进入三氯氢硅集中汽化器1的壳程，还原炉4的130-160摄氏度的高温还原炉炉筒回水作为三氯氢硅集中汽化器1汽化三氯氢硅的热源，高温炉筒水的回水进入三氯氢硅集中汽化器1的管程，汽化三氯氢硅为气相。每套三氯氢硅集中汽化器1可供4-10台还原炉4使用。在每套的三氯氢硅气相进气管上安装质量流量计11和控制阀12，用来调节不同时刻三氯氢硅的气相进料。

传统的系统多数是控制三氯氢硅的液相进料，再去汽化。这样的由于汽化的量与进料的量并不是时刻一样的，带有严重的滞后性。不能准确的反应出进料量与多晶硅生长的关系。这使多数的多晶硅生产厂要花大量的时间去摸索三氯氢硅进料（也就是配方）和多晶硅生长的关系，并且不稳定。

而现在我们的这种控制方法可以有效解决传统方法的不足。这样集中汽化的优点不仅节省的项目设备的投资，而且可以稳定地、及时地控制不同时刻三氯氢硅的气相进料；进而更好地控制多晶硅的生长质量。

来自外界满足质量要求的氢气气体进入氢气预热器2，和高温的尾气换热，加热后氢气和汽化的三氯氢硅进入管道静态混合器3充分混合后进入还原炉4。还原炉4反应后的尾气，经夹套冷却水管冷却后进入硅粉过滤器5，去除多晶硅生长产生的硅粉以及拆炉产生的硅渣和硅粉，然后进入尾气控温冷却器6控温，最后进入氢气预热器2。

这样的工艺路线的工作原理是，用130-160度左右的高温水控制尾气控温冷却器尾气出口的温度，即为氢气预热器2尾气的进口温度。从而间接地控制氢气预热器2氢气的出口温度。再加上管道静态混合器3和还原炉4底盘的分布器，可以均匀的控制进入还原炉原料混合器的组分和温度，进一步控制了混合气体进入还原炉4的温度。对比其他工艺更有效的控制多晶硅的生长。然后130度左右的高温冷却水去闪蒸罐闪蒸2bar.g的蒸汽供全厂其他地方使用，如精馏塔，这样这部分热量就可以很好地回收再利用。在第一次开车的时候，只需要在集中闪蒸罐7加一根蒸汽管路，将常温的冷却水加热的到130度左右，就可以满足三氯氢硅的汽化条件。

本系统及其使用方法，使得进料组分均匀、进料温度稳定可控，尾气和冷却水的闭环运用，使得热能自循环利用充分，合理的降低还原炉及系统的能耗，更好地控制多晶硅的生长质量。而且有效地除去尾气管道的硅粉，保护了尾气管路的阀门以及CDI系统的设备。

Claims (14)

1.一种多晶硅还原炉控温节能系统，其特征在于包括三氯氢硅集中汽化器、氢气预热器、管道静态混合器、还原炉、尾气控温冷却器；所述氢气预热器管程的热氢气出口连接到所述管道静态混合器，所述三氯氢硅集中汽化器的气相三氯氢硅出口连接到所述氢气预热器管程的热氢气出口管；所述管道静态混合器的混合气体出口连接到所述还原炉进气口；所述还原炉尾气出气口连接到所述尾气控温冷却器壳程高温气相入口，所述尾气控温冷却器壳程低温气相出口连接到所述氢气预热器壳程气相入口；

还原炉的高温还原炉炉筒回水管与三氯氢硅集中汽化器的热交换液管连通，并作为三氯氢硅集中汽化器汽化三氯氢硅的热源；

还包括集中闪蒸罐，所述集中闪蒸罐的炉筒冷却水出口连接所述还原炉炉筒冷却水进口，所述还原炉炉筒冷却水出口连接所述集中闪蒸罐炉筒冷却水回水入口及所述三氯氢硅集中汽化器管程入口，所述三氯氢硅集中汽化器管程出口连接所述集中闪蒸罐汽化器回水入口，所述集中闪蒸罐尾气冷却水出口连接所述尾气控温冷却器管程入口，所述尾气控温冷却器管程出口连接集中闪蒸罐尾气冷却水回水入口。

2.根据权利要求1所述的一种多晶硅还原炉控温节能系统，其特征在于还原炉尾气出气口与所述尾气控温冷却器壳程高温气相入口之间，设置硅粉过滤器，所述还原炉尾气出气口连接到所述硅粉过滤器进口，所述硅粉过滤器出口连接到与所述尾气控温冷却器壳程高温气相入口。

3.根据权利要求1所述的一种多晶硅还原炉控温节能系统，其特征在于所述三氯氢硅集中汽化器的气相三氯氢硅出口连接到所述氢气预热器管程的热氢气出口管离所述管道静态混合器距离最小处。

4.根据权利要求1所述一种多晶硅还原炉控温节能系统，其特征在于高温还原炉炉筒回水的温度为130-160摄氏度。

5.根据权利要求1所述一种多晶硅还原炉控温节能系统，其特征在于在每套的三氯氢硅气相进气管上安装质量流量计和控制阀。

6.根据权利要求1所述一种多晶硅还原炉控温节能系统，其特征在于在氢气预热器管程的热氢气出口管上安装质量流量计和控制阀。

7.一种多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，包括以下过程：

(1)外源的三氯氢硅液体进入三氯氢硅集中汽化器的壳程，还原炉的高温还原炉炉筒回水作为三氯氢硅集中汽化器汽化三氯氢硅的热源，高温炉筒水的回水进入三氯氢硅集中汽化器的管程，汽化三氯氢硅为气相；

(2)外源的氢气气体进入氢气预热器，和高温的还原炉尾气进行热交换；

(3)加热后的氢气和汽化的三氯氢硅进入混合器充分混合；

(4)混合后的气态三氯氢硅和氢气进入还原炉；

(5)还原炉反应后的尾气，经夹套冷却水管冷却，然后进入尾气控温冷却器控温；

(6)尾气经过尾气控温冷却器控温后进入氢气预热器，并对氢气预加热；

三氯氢硅采用集中汽化器进行集中汽化，每套三氯氢硅集中汽化器供应一台以上还原炉使用。

8.根据权利要求7所述多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，其特征在于三氯氢硅集中汽化器供应4-10台还原炉使用。

9.根据权利要求7所述多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，其特征在于在每套的三氯氢硅气相进气管上安装质量流量计和控制阀，用来调节不同时刻三氯氢硅的气相进料。

10.根据权利要求7所述多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，其特征在于在氢气预热器管程的热氢气出口管上安装质量流量计和控制阀，用来调节不同时刻加热氢气的进料。

11.根据权利要求7所述多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，其特征在于还原炉尾气进入硅粉过滤器去除多晶硅生长产生的硅粉以及拆炉产生的硅渣和硅粉之后再接入尾气控温冷却器。

12.根据权利要求7所述多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，其特征在所述还原炉尾气包括氯硅烷、氯化氢和氢气。

13.根据权利要求7所述多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，其特征在于氢气预热器管程的还原尾气出口与尾气后处理设备相连接，用于对尾气的分离、提纯处理和余热利用。

14.根据权利要求7所述多晶硅还原炉控温节能系统的工艺，其特征在于还包括集中闪蒸罐，三氯氢硅集中汽化器管程的冷却水出口与所述集中闪蒸罐相连接，用于实现冷却水的再循环、余热利用并产生工业用蒸汽。