CN103787338A - 一种三氯氢硅等离子体制备方法及其制备装置 - Google Patents
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Abstract
一种三氯氢硅的等离子体制备方法及其制备设备。首先氢气与四氯化硅蒸汽按一定比例混合，然后将其预热到一定温度，预热后的混合气体经过等离子体反应器，产物随后经过冷却同时进一步发生反应，之后被冷凝为液体，冷凝后的产物最后收集并分离。本发明所述方法及其装置完成对四氯化硅的氢化，生成三氯氢硅，具有处理成本低、工作效率高、无环境污染等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三氯氢硅等离子体制备方法及其制备装置。
技术背景
多晶硅是电子工业和光伏产业所需的主要原料。随着全球能源危机的日益加剧，太阳能作为一种清洁、可持续再生的能源，在全球范围内越来越受到关注。太阳能级多晶硅(杂质质量分数为10-6～ 10-5 ) 作为生产太阳能电池的重要原料，需求量逐年上升。
然而，生产多晶硅对环境的危害相当大。目前国内多晶硅企业所采用的生产方法均为西门子法 ，副产大量的四氯化硅。每生产1 t多晶硅同时产生18 t四氯化硅。四氯化硅是高毒性物质，对人的眼睛、皮肤、呼吸道有强烈刺激；遇到潮湿空气立即分解，生成硅酸和氯化氢。若不经处理便排放或掩埋四氯化硅，将严重污染环境，并使排放地或掩埋地寸草不生。由于四氯化硅转化的核心技术被国外少数几家企业垄断，若建处理四氯化硅的装置，其技术引进费用几乎占全部投资的1／3，国内多数企业没有此类装置。因此，妥善处理四氯化硅是提高国内多晶硅生产能力、实现光伏产业可持续发展而必须解决的一个十分迫切的问题。
尽管通过利用四氯化硅生产白炭黑、有机硅等产品的技术消耗到部分四氯化硅，但得不偿失，利润很低。因此将四氯化硅还原生产三氯氢硅技术一直是全球各大多晶硅生产企业十分关注的问题。该技术在处理副产物四氯化硅的同时，还可得到生产多晶硅的原料三氯氢硅，从而没有量的限制，而且在处理过程中产生的氯化氢可以回到三氯氢硅合成工序加以利用，避免四氯化硅污染和前述方法可能产生的次生污染，可谓是一举多得的好办法。
目前，正在研究的四氯化硅还原生产三氯氢硅的方法有： 传统的硅粉与氢气还原法、热氢化技术、催化加氢工艺等。但均优于或者对设备要求太苛刻，或难以工业化放大以及转化率太低未得到应用。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种利用等离子体氢化还原三氯氢硅的方法，降低反应温度，提高转化率及降低能耗等。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三氯氢硅等离子体制备方法，首先将氢气与四氯化硅蒸汽按比例混合，然后将其预热，预热后的混合气体经过等离子体反应器，产物随后经过冷却同时进一步发生反应，之后被冷凝为液体，冷凝后的产物最后收集并分离。
优选的，所述氢气与四氯化硅蒸汽混合气体的流量比为1~4.5。
优选的，所述氢气与四氯化硅蒸汽混合气体的预热温度为100℃~300℃。
优选的，所述等离子体发生器的电源频率为40Khz~200Khz。
优选的，所述冷却后的温度为20℃~100℃。
本发明还提供一种三氯氢硅等离子体制备装置，包括依次连接的四氯化硅蒸发汽化装置、气体混合预热装置、等离子体发生器及反应器、产物冷却及冷凝装置。
优选的，所述三氯氢硅等离子体制备装置电场的施加采用容性放电。
优选的，所述等离子体反应器为管状结构。
本发明利用氢气被电离后的高能粒子与四氯化硅发生反应，生成三氯氢硅。主要反应机理如下：
H2→H·+H· （1）
SiCl4→SiCl2·+2Cl· （2）
H·+SiCl4→SiCl3·+HCl （3）
SiCl3·+H·→SiCl2+HCl （4）
SiCl3·+H·→SiHCl3 （5）
SiCl3·+HCl→SiHCl3 （6）
其中第六步为低温下反应，在冷却器中进行。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
（1） 转化率大大提高，单程转化率达到60%以上。而传统方法的转化率不足20%；
（2） 成本低，传统化工方法，设备复杂，高温高热反应，对结构要求高，能耗高。而等离子体结构相对简单，反应温度低；
（3） 效率高，等离子体反应效率高，原子及离子温度达到4000k，反应过程在瞬间完成，效率大大提高；
（4）装置简单，由于反应温度低，过程快，对设备材料及辅助设备要求相对较低。
本发明所述方法及其装置用于四氯化硅的氢化，生产多晶硅产业的原理三氯氢硅，实现多晶硅产业的零排放目的。
附图说明
图1为本发明原理示意图，图中1,预热器；2，等离子体反应器；3，放电电源；4，氢气回收装置；5，冷却器；6，冷凝器；7，分离系统。
具体实施方式
一种三氯氢硅等离子体制备方法，首先将氢气与四氯化硅蒸汽按比例混合，然后将其预热，预热后的混合气体经过等离子体反应器，产物随后经过冷却同时进一步发生反应，之后被冷凝为液体，冷凝后的产物最后收集并分离。
实施例1，
如图1所示，首先氢气与四氯化硅蒸汽按2.5的流量比混合，然后通过预热器（1）将其预热到200℃，预热后的混合气体经过等离子体反应器（2），产物随后经过冷却器（5）冷却至40℃，同时进一步发生反应，之后产物通过冷凝器（6）被冷凝为液体，冷凝后的产物最后收集后通过分离系统（7）分离，未反应的氢气经氢气回收装置（4）回收再利用。
等离子体发生器的电源频率为40~200Khz， 电场的施加采用容性放电，等离子体反应器为管状结构。
通过气相色谱测定得到三氯氢硅的单程转化率为55%。
实施例2，
首先氢气与四氯化硅蒸汽按1的流量比混合，然后通过预热器（1）将其预热到300℃，预热后的混合气体经过等离子体反应器（2），产物随后经过冷却器（5）冷却至20℃，同时进一步发生反应，之后产物通过冷凝器（6）被冷凝为液体，冷凝后的产物最后收集后通过分离系统（7）分离，未反应的氢气经氢气回收装置（4）回收再利用。
等离子体发生器的电源频率为40~200Khz， 电场的施加采用容性放电，等离子体反应器为管状结构。
实施例3，
首先氢气与四氯化硅蒸汽按4.5的流量比混合，然后通过预热器（1）将其预热到100℃，预热后的混合气体经过等离子体反应器（2），产物随后经过冷却器（5）冷却至20℃，同时进一步发生反应，之后产物通过冷凝器（6）被冷凝为液体，冷凝后的产物最后收集后通过分离系统（7）分离，未反应的氢气经氢气回收装置（4）回收再利用。
等离子体发生器的电源频率为40~200Khz， 电场的施加采用容性放电，等离子体反应器为管状结构。
本发明还提供一种三氯氢硅等离子体制备装置，包括依次连接的四氯化硅蒸发汽化装置、气体混合预热装置、等离子体发生器及反应器、产物冷却及冷凝装置、还包括分离装置。
本发明利用氢气被电离后的高能粒子与四氯化硅发生反应，生成三氯氢硅。主要反应机理如下：
H2→H·+H· （1）
SiCl4→SiCl2·+2Cl· （2）
H·+SiCl4→SiCl3·+HCl （3）
SiCl3·+H·→SiCl2+HCl （4）
SiCl3·+H·→SiHCl3 （5）
SiCl3·+HCl→SiHCl3 （6）
其中第六步为低温下反应，在冷却器中进行。
上述实施例中，对于参数的选择，所述氢气与四氯化硅蒸汽混合气体的流量比为1~4.5，所述氢气与四氯化硅蒸汽混合气体的预热温度为100℃~300℃，所述等离子体发生器的电源频率为40Khz~200Khz，所述冷却后的温度为20℃~100℃。各参数在上述区间根据需要任意选择具体值。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
（1） 转化率大大提高，单程转化率达到60%以上。而传统方法的转化率不足20%；
（2） 成本低，传统化工方法，设备复杂，高温高热反应，对结构要求高，能耗高。而等离子体结构相对简单，反应温度低；
（3） 效率高，等离子体反应效率高，原子及离子温度达到4000k，反应过程在瞬间完成，效率大大提高；
（4）装置简单，由于反应温度低，过程快，对设备材料及辅助设备要求相对较低。
本发明所述方法及其装置用于四氯化硅的氢化，生产多晶硅产业的原理三氯氢硅，实现多晶硅产业的零排放目的。
Claims (8)
1.一种三氯氢硅等离子体制备方法，其特征在于，首先将氢气与四氯化硅蒸汽按比例混合，然后将其预热，预热后的混合气体经过等离子体反应器，产物随后经过冷却同时进一步发生反应，之后被冷凝为液体，冷凝后的产物最后收集并分离。
2.根据权利要求1所述的三氯氢硅等离子体制备方法，其特征在于，所述氢气与四氯化硅蒸汽混合气体的流量比为1~4.5。
3.根据权利要求1所述的三氯氢硅等离子体制备方法，其特征在于：所述氢气与四氯化硅蒸汽混合气体的预热温度为100℃~300℃。
4.根据权利要求1所述的三氯氢硅等离子体制备方法，其特征在于，所述等离子体发生器的电源频率为40Khz~200Khz。
5.根据权利要求1所述的三氯氢硅等离子体制备方法，其特征在于，所述冷却后的温度为20℃~100℃。
6.一种三氯氢硅等离子体制备装置，其特征在于，包括依次连接的四氯化硅蒸发汽化装置、气体混合预热装置、等离子体发生器及反应器、产物冷却及冷凝装置。
7.根据权利要求6所述的三氯氢硅等离子体制备装置，其特征在于，所述三氯氢硅等离子体制备装置电场的施加采用容性放电。
8.根据权利要求6所述的三氯氢硅等离子体制备装置，其特征在于，所述等离子体反应器为管状结构。
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| CN101475175A (zh) * | 2009-01-21 | 2009-07-08 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 等离子氢化四氯化硅制备三氯氢硅的方法 |
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| CN102020282A (zh) * | 2009-09-09 | 2011-04-20 | 重庆大全新能源有限公司 | 一种利用四氯化硅生产三氯氢硅的方法 |
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