CN104150484A - 一种封闭式高纯金属硅还原炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能多晶硅冶金法制备工艺设备技术领域，具体的说是一种封闭式高纯金属硅还原炉，所述炉内压力调节阀设置在排气管上，排气管另一端连接有自动加料装置，排气管上还设置有进料口，排气管安装在绝热炉体顶端，绝热炉体顶端的排气管两侧分别设置有电极和短网，电极和短网一端设置在绝热炉体内侧，绝热炉体上还设置有捣料口，绝热炉体顶端设置有绝热炉盖，绝热炉体底端设置有出料阀门，出料阀门与前炉连接，前炉上端设置有等离子系统，前炉底部通过出料口连接有连续铸模机，把工艺与装备结合起来研发，充分应用冶金学的基本原理和冶金科技的最新成果，既源于它又超越于它，进行科学创新。

Description

一种封闭式高纯金属硅还原炉

技术领域

本发明涉及太阳能多晶硅冶金法制备工艺设备技术领域，具体的说是一种封闭式高纯金属硅还原炉。 

背景技术

目前国内外生产太阳能多晶硅的方法主要沿用电子级多晶硅生产的改良西门子化学法，这种方法以铁合金厂出品的工业硅(也称金属硅)为原料，通过破碎，用无水氯化氢(HCl)与其反应，生成三氯氢硅及气态混合物，通过多级分馏净化三氯氢硅，再采用高温还原工艺，在氢气还原下形成高纯硅(≥9N)沉积在硅捧上。大约只有1/3的三氯氢硅被利用，在提炼过程中70％以上的Si随同H₂、HCl、SiHCl₃、SiCl₄、Si等经过滤、冷凝或排放掉。由于气态混合物的分离非常复杂，能耗大，回收利用投入也大，环境污染严重，在整个改良西门子法工艺中，一些关键技术仍掌握国外几家大公司手中，国外进口设备年产千吨多晶硅生产线不进行环保处理的曾高达10亿人民币，该工艺尾气中的硅、氯两个资源的循环利用存在很大问题，为此国务院2010年38号文件明确规定，还原尾气中的四氯化硅、氯化氢、氯气的回收率不得低于98.5％、99％、99％，这就花数亿元投资进行改造；其次，还规定还原能耗应低于60千瓦时/千克、综合能耗低于200千瓦时/千克；并对规模和占地面积都有明确限定。由于投资 大，折旧所占成本比例就大、能耗高、污染严重，加上太阳能多晶硅的纯度只须5N(即99.9999％)就可以了，随着太阳能利用在清洁再生能源中比重越来越大，预计2020年需求量可高达百万吨以上，所以，采用冶金法生产太阳能级多晶硅成为世界各国科技界和冶金企业的重大研发课题，包括西门子化学法老牌企业也转向冶金法的开发，并已取得不少成果。 

国内外许多从事冶金法的企业大多都是从采购的标准牌号工业硅进行提纯，如日本JFE，前性年国内有关从事所谓“物理法”研发的企业等，都并不成功，原因是从各地购得的工业硅有2％(相当于20000ppm)左右的杂质，工业硅标准中杂质含量只限定三个，即铁(Fe)、铝(Al)、钙(Ca)，如我国标准中杂质最低的2202牌号，其中Fe≤0.2％(即2000ppm)，Al≤0.2％，Ca≤0.02％(即200ppm)，而对光伏效率影响最大又最难去除的磷(P)、硼(B)等均没有限定，一般都在几十ppm上下，而太阳能多晶硅对这些有害杂质要求很高，须在1ppm左右，用冶金法提纯有很大难度。 

用冶金方法生产太阳能级多晶硅是大势所趋，它符合全球再生清洁能源和低炭经济发展的需求，太阳能多晶硅是冶金企业产品--金属硅的深度加工的延伸产品，在技术和装备上存在不可分割的联系，作为冶金超级大国的中国，具有极大优势， 

因此，目前生产工业硅的铁合金冶炼炉称为矿热炉，均为非封闭式、粗放形的电炉，从炉型、内衬材料、操作方法、炉内氛围、原料准备到硅液的炉外处理等，都不可能生产出高纯金属硅，工业硅是所有铁合金产品中最难生产的品种，属于无渣操作，因此，只有从设备到工艺不进行创新与改革才能生产出比工业硅要求高得多的高纯金属硅(≥4N)，从而得以用冶金法大规模、低成本生产出太阳能多晶硅成为可能，本发明是冶金法生产太阳能级多晶硅头道 关键装备。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明就是利用不同于一般矿热炉的特种还原炉，配合相应新工艺，直接生产低P、B(0.5～2ppm)的高纯金属硅(≥4N)，实现用火法冶金提纯新工艺生产出符合太阳能电池生产所需的原料，而这种高纯金属硅如用于西门子化学法或冶金工艺进一步提纯，都将可以大大降低成本，缩短工艺流程，并可实现规模化生产，本发明的特点在于把工艺与装备结合起来研发，充分应用冶金学的基本原理和冶金科技的最新成果，既源于它又超越于它，进行科学创新，创新型装备是新材料制备与发展中最重要的基础。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种封闭式高纯金属硅还原炉，其特征在于：包含炉内压力调节阀、进料口、自动加料装置、排气管、电极、捣料口、绝热炉盖、绝热炉体、短网、等离子系统、前炉、出料口、出料阀门、连续铸模，所述炉内压力调节阀设置在排气管上，排气管另一端连接有自动加料装置，排气管上还设置有进料口，排气管安装在绝热炉体顶端，绝热炉体顶端的排气管两侧分别设置有电极和短网，电极和短网一端设置在绝热炉体内侧，绝热炉体上还设置有捣料口，绝热炉体顶端设置有绝热炉盖，绝热炉体底端设置有出料阀门，出料阀门与前炉连接，前炉上端设置有等离子系统，前炉底部通过出料口连接有连续铸模机。 

进一步，所述绝热炉体为竖炉。 

进一步，所述炉气通过加料系统向外排放。 

进一步，所述连续铸模机为转盘水冷铸模机。 

本发明的有益效果是： 

1、本发明的炉型为竖炉，不同于一般矿热炉的矮胖型，二氧化硅与碳还原生成硅是在不同区域的五个化学反应完成的，而是先生成SiC和气态SiO， 通过SiO在炉内的循环与凝聚、SiC的破坏而生成硅，所以炉腔升高有利于这些中间反应的进行，减少有效成分的损失，提高硅的收得率。 

2、本发明将炉气通过加料系统向外排放，这个系统既能利用余热加热炉料降低单位能耗，还能使残余的SiO进一步与炉料的凝聚反应提高硅的收得率。 

3、本发明的加料机构可以不必开启炉盖或加料口，这对减少热的损失和降低能耗有明显效果。对于产量要求不高的小型高纯金属硅还原炉而言，尤为重要。 

4、封闭式炉型对形成炉内还原气氛、节能、环保和操作安全都具有明显优势，但必须控制好炉内气压，使气态反应物顺利循环与炉料的正常下行。本发明具有将的炉内气压与炉况相匹配的智能调控系统，这个智能调控系统所采集的参数众多，从而把炉况与确保安全有机统合起来，是本发明的重要特色之一。 

5、本发明为适应炉容量比较小(如3000～6000KW)的特点和充分利用液态硅的热能，设有带等离子枪的前炉，在封闭式环境下不必定时打开或封堵出铁口，既简化了操作也减少硅液的二次污染与损耗。当炉缸内硅液面达到一定高度时会自动流入前炉，前炉硅液达到规定容量时关闭闸门，在等离子孤与炉渣的共同作用下，进行炉外精炉，去除含量相对较高的铁、铝、钙及硼等杂质，进一步提高硅的纯度。 

6、本发明的铸锭机构为转盘水冷铸模，并采用防止二次污染的措施，如涂刷防污涂料和选择相适应的材质等，转盘式铸模的另一个优点可以降低设备高度，适用中小型炉的操作，防止二次污是本发明在各个环节贯彻始终，这一点极其重要，这是传统矿热炉无法生产出成分稳定的高纯金属硅的重要原因 之一。 

7、炉气回收利用已有比较成熟的经验，但本发明将炉气通过混合炉料向外排放(有可调风机的抽力)有利于炉气中颗粒型尘埃的过滤，既降低了炉气温度又减少了含尘量.可以简化除尘系统设备的构成与压力，具有一举多得的效果。 

8、本发明制得的高纯金属硅经多家权威单位检验中心18个元素的分析，除P、B很低外，其纯度均在4～5N之间。 

附图说明

图1是本发明结构示意图。 

附图标记说明：1-炉内压力调节阀；2-进料口；3-自动加料装置；4-排气管；5-电极；6-捣料口；7-绝热炉盖；8-绝热炉体；9-短网；10-等离子系统；11-前炉；12-出料口；13-出料阀门；14-连续铸模机。 

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落在申请所附权利要求书所限定的范围。 

图1为本发明一种封闭式高纯金属硅还原炉结构图，包含炉内压力调节阀1、进料口2、自动加料装置3、排气管4、电极5、捣料口6、绝热炉盖7、绝热炉体8、短网9、等离子系统10、前炉11、出料口12、出料阀门13、连续铸模14，所述炉内压力调节阀1设置在排气管4上，排气管4另一端连接有自动加料装置3，排气管4上还设置有进料口2，排气管4安装在绝热炉体8 顶端，绝热炉体8顶的端排气管4两侧分别设置有电极5和短网9，电极5和短网9一端设置在绝热炉体8内侧，绝热炉体8上还设置有捣料口6，绝热炉体8顶端设置有绝热炉盖7，绝热炉体8底端设置有出料阀门13，出料阀门13与前炉11连接，前炉11上端设置有等离子系统10，前炉11底部通过出料口12连接有连续铸模机14；所述绝热炉体8为竖炉；所述炉气通过加料系统向外排放；所述连续铸模机14为转盘水冷铸模机。 

本发明使用时，经特殊处理的二氧化硅矿(Si＞99％)和混合碳质还原剂在本发明的还原炉内生产高纯金属硅，炉料按比例从储存炉顶的侧上方料仓进入进料口2，开炉后按需经自动加料装置3加入炉内，炉气经炉料输送管道和炉内压力调节阀1排出，进入除尘系统，在炉顶侧面有三个需要时开启的捣料口6，可以根据炉料下行情况采用可移动的捣料机快速捣料，炉内气体通过自动加料装置3进入炉气除尘系统，由水封式储气塔存储备用。硅液从炉缸经可开闭的出料阀门13流入前炉11，前炉11炉顶一侧设有观察口和排气口，以及炉顶可升降与回转运动的等离子枪，炉外粗炼结束后，从流漕进入转盘式连续铸模机14，冷却成硅块，绝热炉盖7与绝热炉体8之间有水冷密封圈法兰，前炉11也一样，检修时可打开绝热炉盖7，炉与炉膛之从低到高温采用不同材质的耐火材料、隔热材料，炉底为优质石墨砖砌成，电极5的升降系统随炉况变化自动调节，也可手工操作。 

通过上述运作可以产出稳定的低P、B低成本的高纯金属硅(＞4N)，经过进一步提纯可以获得太阳能级多晶硅的难度较低，能否从还原炉(矿热炉)直接获得低P、B的高纯金属硅，多年来已成为冶金法成败的瓶颈，而本发明正是解决这一关键中的重要手段，填补了这一领域空白。 

Claims (4)

1.一种封闭式高纯金属硅还原炉，其特征在于：包含炉内压力调节阀、进料口、自动加料装置、排气管、电极、捣料口、绝热炉盖、绝热炉体、短网、等离子系统、前炉、出料口、出料阀门、连续铸模，所述炉内压力调节阀设置在排气管上，排气管另一端连接有自动加料装置，排气管上还设置有进料口，排气管安装在绝热炉体顶端，绝热炉体顶端的排气管两侧分别设置有电极和短网，电极和短网一端设置在绝热炉体内侧，绝热炉体上还设置有捣料口，绝热炉体顶端设置有绝热炉盖，绝热炉体底端设置有出料阀门，出料阀门与前炉连接，前炉上端设置有等离子系统，前炉底部通过出料口连接有连续铸模机。

2.根据权利要求1所述的一种封闭式高纯金属硅还原炉，其特征在于：所述绝热炉体为竖炉。

3.根据权利要求1所述的一种封闭式高纯金属硅还原炉，其特征在于：所述炉气通过加料系统向外排放。

4.根据权利要求1所述的一种封闭式高纯金属硅还原炉，其特征在于：所述连续铸模机为转盘水冷铸模机。