CN107352545A - 采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法及多晶硅还原系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法以及多晶硅还原系统，该方法包括进料步骤和尾气控制步骤，在进料步骤中，在多晶硅生产的中后期，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合，再送入还原炉中，所述混合气体为三氯氢硅和氢气的混合气体。该方法及系统能够解决多晶硅还原系统运行中进料温度过高的问题。

Description

采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法及多晶硅还原系统

技术领域

本发明属于多晶硅生产技术领域，具体涉及一种采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法以及多晶硅还原系统。

背景技术

目前国内外多晶硅生产企业主要采用改良西门子法来生产多晶硅。该方法的生产流程是利用氯气和氢气合成氯化氢(或外购氯化氢)，将氯化氢和硅粉在一定温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行精馏提纯，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℃～1150℃，最终可生成棒状多晶硅产品。

其中还原炉的电耗是多晶硅生产过程中最主要的能耗，其大小和性能质量在生产过程中起着决定性作用。还原炉的硅芯棒越多，能耗相对越低，因此设计时选用大型化的还原炉是未来提高多晶硅产品质量、降低生产成本、降低能耗的发展方向。

大型还原炉虽然有产能高、电耗低的优势，但是因炉内硅棒数量较多，在硅棒生长至中后期，炉内容易积聚大量的热量，当炉内原料温度超过500℃以后，炉内反应加剧，三氯氢硅会裂解产生大量的硅粉，发生“雾化”效应，影响出炉后硅棒的外观质量；其次，因大型还原炉进料量大，尾气带出的热量较多，而大型还原炉大都通过尾气与混合气进行换热来对混合气加热，虽然进料温度的升高有利于多晶硅沉积反应，但是进料温度过高，在中后期反而助长了炉内“雾化”效应的发生；再次，还原炉内一旦发生雾化，硅粉就容易沉积在还原炉尾气管道及尾气换热器的内壁，造成换热器结垢，影响尾气与冷却介质的换热效果，待硅棒生长至中期，随着尾气温度越来越高，存在一定的安全隐患；最后，随着设备运行周期的延长，尾气管道的结垢越来越多，不能有效地除去尾气管道中的硅粉。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法及多晶硅还原系统，其能够解决多晶硅还原系统运行中进料温度过高的问题。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法，包括进料步骤和尾气控制步骤，所述进料步骤中，在多晶硅生产的中后期，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合，再送入还原炉中，所述混合气体为三氯氢硅和氢气的混合气体。

优选的是，在多晶硅生产的中后期，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合具体为：当还原炉的进料气体的温度达到300℃以上时，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合。

优选的是，所述冷氢的流量设置为能够使还原炉的进料气体的温度维持在230-290℃之间。

进一步优选的是，所述尾气控制步骤中，在多晶硅生产的中后期，将尾气降温后再将之与未经加热的混合气体进行换热。

优选的是，在多晶硅生产的中后期，将尾气降温后再将之与未经加热的混合气体进行换热具体为：当尾气温度达到600℃以上时，采用冷却介质对尾气进行降温，待尾气温度降低后再将之与未经加热的混合气体换热。

优选的是，所述冷却介质为冷态氢气或液态氯硅烷，冷却介质的流量设置为能够使尾气的温度维持在500-550℃之间。

本发明还提供一种多晶硅还原系统，包括还原炉、混合气管线和尾气管线，所述混合气管线包括前段和后段，混合气管线的后段用于流通经加热后的三氯氢硅和氢气的混合气体，其中，该系统还包括有冷氢管线，冷氢管线用于流通未经预热的冷氢，所述冷氢管线与混合气管线的后段相连后汇合形成进料管线，所述进料管线与还原炉连通。

优选的是，所述冷氢管线上设有冷氢流量调节装置，其用于控制冷氢管线与混合气管线的后段之间的通断并调节冷氢管线中冷氢的流量，所述进料管线上设有第一温度计，其用于检测还原炉的进料气体的温度，

该系统还包括有控制器，控制器与第一温度计、冷氢流量调节装置分别相连，当第一温度计检测到还原炉的进料气体的温度达到300℃以上时，控制器向冷氢流量调节装置发出指令，使冷氢流量调节装置控制冷氢管线与混合气管线的后段连通。

更优选的是，所述控制器还用于，根据第一温度计检测到的温度指令冷氢流量调节装置调节冷氢管线中冷氢的流量，以使第一温度计检测到的温度维持在230-290℃之间。

进一步优选的是，该系统的尾气换热器与尾气管线的输出端相接，所述尾气换热器设置在混合气管线上，从而将混合气管线划分为前段和后段，

该系统还包括有用于流通冷却介质的尾气降温管线，所述尾气降温管线与尾气管线相连，尾气降温管线中的冷却介质能够对尾气管线中流通的尾气进行降温。

优选的是，所述尾气降温管线与尾气管线相连的位置设置在尾气夹套管的大法兰前段，尾气管线上设有第二温度计，其用于检测尾气的温度，

所述尾气降温管线上设有冷却介质流量调节装置，其用于控制尾气降温管线与尾气管线之间的通断并调节尾气降温管线中冷却介质的流量，

所述控制器与第二温度计、冷却介质流量调节装置分别相连，当第二温度计检测到尾气管线中尾气的温度达到600℃以上时，控制器向冷却介质流量调节装置发出指令，使冷却介质流量调节装置控制尾气降温管线与尾气管线连通。

更优选的是，所述控制器还用于，根据第二温度计检测到的温度指令冷却介质流量调节装置调节尾气降温管线中冷却介质的流量，以使第二温度计检测到的温度维持在500-550℃之间。

其中，尾气管线的延长管线设置在尾气换热器和系统的氢气预热器之间，该系统还包括硅粉过滤器，所述硅粉过滤器设置在尾气管线的延长管线上，用于对尾气管线中富集的硅粉进行清理。

优选的是，所述冷氢管线为系统的氢气管线的分支管线。

现有技术中，原料氢气(冷氢)一般是先经过氢气预热器预热后，再与三氯氢硅混合，混合后的气体再经过尾气换热器与尾气进行换热，最后进入还原炉中。一般还原炉中硅棒生长中后期(即多晶硅生产的中后期)，进料温度(即进料气体的温度)可高达300℃以上，由于进料温度高易加剧炉内雾化，本发明通过在原料氢气进氢气预热器之前先将氢气管线分流，即从使氢气管线分出一条支路形成冷氢管线，分流后得到的冷氢管线与进还原炉前的混合气管线相连，使冷氢与加热后的混合气体混合后，再进入还原炉发生沉积反应，这样，就从原料氢气中分出部分氢气不进行预热而直接进入还原炉，减少了后续进入还原炉中热氢的量，从而可降低进料温度。

另外，通过在尾气靠近还原炉的位置增加一条尾气降温管线，当尾气温度过高(超过600℃)时，通过向尾气降温管线内通入冷却介质，能使尾气温度迅速下降。

本发明特别适于采用改良西门子法生产多晶硅的生产企业使用，尤其适用于对大型多晶硅还原炉系统中，能够解决大型还原炉系统生产过程中存在的以下几个重要技术问题：

(1)大型还原炉中硅棒生长至中、后期进料温度过高；

(2)大型还原炉中硅棒生长至中、后期尾气温度过高；

(3)大型还原炉中雾化现象严重；

(4)不能及时有效地除去尾气管道的硅粉。

本发明的有益效果如下：

第一，还原炉进料时如若混合气体的温度过高，通过降低混合气体的温度，能够降低多晶硅生产中后期(硅棒生长的中后期)还原炉的进料气体的温度，并且也可以适当降低炉内气场温度，使炉内雾化几率降低，同时也可以减轻硅棒表面菜花情况；

第二，降低混合气体的温度是将主路上的氢气管线进行分流，即将主路上的氢气管线分为两条支路，使其中一条支路的输出端与还原炉前的混合气管线相连，通过减少被加热的氢气量来降低生产中后期混合气管线中混合气体的温度，使得在硅棒生长的中后期不需要通过降料来控制进料温度，提高了沉积速度，进而提高了生产效率；

第三，大型还原炉在运行一定周期后，因雾化效应会造成尾气管道结垢较深，使得换热效果越来越差，到硅棒生长的中后期尾气温度高达650度以上，已超过尾气管道(不锈钢材质)的许用应力，在生产上存在安全隐患，本发明通过对尾气进行降温，可解决还原炉中后期尾气温度高的瓶颈问题，同时消除了尾气管道高温运行的安全隐患；

第四，对尾气进行降温是在尾气降温管线内通入冷氢或液态氯硅烷，通过利用氢气传热性好的特点或利用氯硅烷的汽化作用，可实现快速降低尾气温度；

第五，通过在尾气管线的延长管线上增加硅粉过滤器，以定期清理尾气管道内的硅粉，可大大减少系统长期运行时尾气管道内硅粉的沉积量，从而减少对下游尾气回收处理工序的负荷。

附图说明

图1是本发明实施例1中采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法的工艺流程图。

图中：1-还原炉 2-尾气换热器 3-氢气预热器 4-静态混合器 5-硅粉过滤器 6-氢气管线 7-冷氢管线 8-三氯氢硅(TCS)管线 9-尾气降温管线 10-尾气管线 11-氢气总流量调节装置 12-冷氢流量调节装置 13-冷却介质流量调节装置 14-第二温度计 15-第一温度计

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，下面所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法，包括进料步骤和尾气控制步骤，所述进料步骤中，

在多晶硅生产的中后期，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合，再送入还原炉中，其中所述混合气体为三氯氢硅和氢气的混合气体。

本发明还提供一种多晶硅还原系统，包括还原炉、混合气管线和尾气管线，所述混合气管线包括前段和后段，混合气管线的后段用于流通经加热后的三氯氢硅和氢气的混合气体，该系统还包括有冷氢管线，冷氢管线用于流通未经预热的冷氢，所述冷氢管线与混合气管线的后段相连后两者汇合形成进料管线，所述进料管线与还原炉连通。

实施例1：

本实施例中采用改良西门子法来生产多晶硅，所使用的生产系统为多晶硅还原系统。

如图1所示，该多晶硅还原系统包括还原炉1、氢气管线6、三氯氢硅管线8、混合气管线、尾气管线10、氢气预热器3、静态混合器4和尾气换热器2。其中，氢气管线6和三氯氢硅管线8的输出端均与静态混合器4相接，氢气预热器3设置在氢气管线6上，氢气管线6中经氢气预热器3预热后的氢气与三氯氢硅管线8中的三氯氢硅在静态混合器4中进行混合，形成混合气体。尾气管线的两端分别与还原炉1和尾气换热器2连通，其中尾气换热器2与尾气管线的输出端相接，混合气管线的输入端与静态混合器4相接，尾气换热器2同时还设置在混合气管线上，并将混合气管线划分为前段和后段，从静态混合器4中出来的混合气体经混合气管线的前段进入尾气换热器2中而与尾气进行换热后，再进入混合气管线的后段，混合气管线的前段用于流通未经加热的三氯氢硅和氢气的混合气体，混合气管线的后段用于流通经加热后的三氯氢硅和氢气的混合气体。

本实施例中，该生产多晶硅的方法包括进料步骤和尾气控制步骤，在所述进料步骤中，在多晶硅生产的初期，因进料量较小，混合气体(三氯氢硅和氢气的混合气体)可控，此时进料步骤与现有技术相同，不需要对进料气体进行降温。

在多晶硅生产的中后期(大约在反应进行至60-65小时)，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合，再送入还原炉中。本实施例中，该过程具体为：当还原炉的进料气体的温度超过200-300℃的上限时，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合后，再直接进入还原炉发生沉积反应。

上述过程是在多晶硅系统中实现的。即该多晶硅还原系统还包括有冷氢管线7，冷氢管线7用于流通未经预热的冷氢，冷氢管线7与混合气管线的后段相连后两者汇合形成进料管线，所述进料管线与还原炉连通。在还原炉生长至在中后期，当进料温度高达300℃以上时，因进料温度高易加剧炉内雾化，此时可开启冷氢管线7，以降低进料气体的温度。

优选的，该未经预热的冷氢是由从原料氢气中分流出的部分氢气形成。本实施例中，氢气预热器3将氢气管线6划分为前段和后段，则冷氢管线7为氢气管线的前段的分支管线。通过冷氢管线7分流了原料氢气中的一部分冷氢，以减少进还原炉的热氢的量，从而能够降低进料温度。

当然，冷氢管线7也可以是单独设立的管线，其中的冷氢由外部提供。

其中，冷氢管线7中冷氢的流量根据还原炉的进料温度来确定，如果生产后期还原炉的进料温度再有上涨，可逐步增加冷氢的量，具体可将冷氢的流量设置为能够使还原炉的进料气体的温度维持在230-290℃之间。也就是说，待还原炉的进料温度下降至230-290℃之间时，可维持冷氢的流量。

调节冷氢的流量，本实施例中，是在冷氢管线上设置冷氢流量调节装置12，其用于控制冷氢管线与混合气管线的后段之间的通断并调节冷氢管线中冷氢的流量。冷氢流量调节装置12包括调节阀和流量计。进料管线上设有第一温度计15，其用于检测还原炉的进料气体的温度。优选的，该多晶硅还原系统还包括有控制器(图1中未示出)，控制器与第一温度计15、冷氢流量调节装置12分别相连，当第一温度计15检测到还原炉的进料温度达到300℃以上时，控制器向冷氢流量调节装置发出指令，使冷氢流量调节装置的调节阀开启，冷氢管线7与混合气管线的后段连通。

本实施例中，所述控制器还用于根据第一温度计15检测到的温度指令冷氢流量调节装置12，通过冷氢流量调节装置的流量计调节冷氢管线中冷氢的流量，使第一温度计15检测到的温度维持在230-290℃之间。

在生产过程中，随着还原炉中硅棒直径的增长，进料量逐步增加，进料温度也逐步升高，当混合气体的进料温度超过300℃时，控制器控制冷氢流量调节装置12打开冷氢管线7，通过冷氢流量调节装置12调节冷氢管线7中的冷氢量，从而可控制混合气体的进料温度，保证进料温度。

优选的，本实施例中，所述尾气控制步骤中，在多晶硅生产的初期，因进料量和尾气量均较小，尾气温度在可控范围内，因而此时的尾气控制步骤与现有技术相同，不需要对尾气进行降温。

在多晶硅生产的中后期(大约在反应进行至50-60小时)，将尾气降温后再将之与未经加热的混合气体进行换热。本实施例中，该过程具体为：当尾气温度超过500-600℃的上限时，采用冷却介质对尾气进行降温，待尾气温度降低后再将之与未经加热的混合气体换热。

具体来说，本实施例中的多晶硅还原系统还包括有用于流通冷却介质的尾气降温管线9，尾气降温管线9与尾气管线10相连，通过尾气降温管线中的冷却介质对尾气管线中流通的尾气进行降温。

本实施例中，所述尾气降温管线与尾气管线相连的位置设置在尾气夹套管的大法兰前段。

其中，所述冷却介质为冷态氢气或液态氯硅烷。通过在尾气降温管线9内通入冷态氢气，通过利用氢气传热性好的优点，能够快速吸收尾气中的热量，降低尾气温度；或者，尾气降温管线内也可通入液态氯硅烷，氯硅烷优选采用三氯氢硅或四氯化硅，通过氯硅烷的潜热量大的特点，快速实现对尾气的降温，以解决还原炉中多晶硅生产的中后期尾气温度高的瓶颈问题，同时也消除了尾气管道高温运行的安全隐患。其中，冷却介质从尾气降温管线9中直接进入尾气管线10中，并与尾气一起进入下游工序。

其中，尾气降温管线9中冷却介质的量由下降后的尾气温度来确定，可将冷却介质的流量可设置为能使尾气的温度维持在500-550℃之间。即，当尾气温度下降至500-550℃时，可维持此时冷却介质的量。经过冷却后的尾气再经过尾气换热器2降温(经尾气换热器降温后的尾气温度大约为200-250℃)后，进入氢气预热器3，并对氢气预热器3中的氢气进行预热，最后流至CDI尾气系统。

具体来说，对于本实施例的多晶硅还原系统，在尾气管线10上设有第二温度计14，其用于检测尾气的温度。所述尾气降温管线上设有冷却介质流量调节装置13，其用于控制尾气降温管线与尾气管线之间的通断并调节尾气降温管线中冷却介质的流量。冷却介质流量调节装置13包括调节阀和流量计。

控制器与第二温度计14、冷却介质流量调节装置13分别相连，当第二温度计14检测到尾气管线中尾气的温度达到600℃以上时，控制器向冷却介质流量调节装置发出指令，冷却介质流量调节装置的调节阀开启，使尾气降温管线9与尾气管线10连通。

本实施例中，所述控制器还用于根据第二温度计14检测到的温度指令冷却介质流量调节装置的流量计调节尾气降温管线中冷却介质的流量，以使第二温度计14检测到的温度维持在500-550℃之间。

在生产过程中，随着还原炉中硅棒直径的增长，尾气温度也逐步升高，当尾气温度超过600℃时，控制器控制冷却介质流量调节装置13打开尾气降温管线9，并通过冷却介质流量调节装置13调节尾气降温管线9中的冷却介质的量，从而可控制尾气的温度。

本实施例中，尾气管线具有延长管线，尾气管线的延长管线设置在尾气换热器2和氢气预热器3之间，该多晶硅还原系统还包括有硅粉过滤器5，硅粉过滤器5设置在尾气管线的延长管线上，其用于对尾气管线10中富集的硅粉进行清理。

当还原炉使用一定周期后，因雾化现象，尾气管道10上会逐渐附着硅粉，待硅粉越来越厚，尾气换热器2中尾气与混合气体的换热效果越来越差，因此需要定期对硅粉进行清理，本实施例通过在尾气管线的延长管线上设置硅粉过滤器5，从而可以降低尾气中硅粉的富集，有效地减少进入下游工序的尾气中的硅粉含量，同时也可保障尾气的换热效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种采用多晶硅还原系统生产多晶硅的方法，包括进料步骤和尾气控制步骤，其特征在于，所述进料步骤中，

在多晶硅生产的中后期，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合，再送入还原炉中，所述混合气体为三氯氢硅和氢气的混合气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在多晶硅生产的中后期，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合具体为：当还原炉的进料气体的温度达到300℃以上时，将未经预热的冷氢与经加热后的混合气体混合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冷氢的流量设置为能够使还原炉的进料气体的温度维持在230-290℃之间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述尾气控制步骤中，

在多晶硅生产的中后期，将尾气降温后再将之与未经加热的混合气体进行换热。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在多晶硅生产的中后期，将尾气降温后再将之与未经加热的混合气体进行换热具体为：当尾气温度达到600℃以上时，采用冷却介质对尾气进行降温，待尾气温度降低后再将之与未经加热的混合气体换热。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷却介质为冷态氢气或液态氯硅烷，冷却介质的流量设置为能够使尾气的温度维持在500-550℃之间。

7.一种多晶硅还原系统，包括还原炉、混合气管线和尾气管线，所述混合气管线包括前段和后段，混合气管线的后段用于流通经加热后的三氯氢硅和氢气的混合气体，其特征在于，该系统还包括有冷氢管线，冷氢管线用于流通未经预热的冷氢，所述冷氢管线与混合气管线的后段相连后汇合形成进料管线，所述进料管线与还原炉连通。

8.根据权利要求7所述的系统，特征在于，所述冷氢管线上设有冷氢流量调节装置，其用于控制冷氢管线与混合气管线的后段之间的通断并调节冷氢管线中冷氢的流量，所述进料管线上设有第一温度计，其用于检测还原炉的进料气体的温度，

该系统还包括有控制器，控制器与第一温度计、冷氢流量调节装置分别相连，当第一温度计检测到还原炉的进料气体的温度达到300℃以上时，控制器向冷氢流量调节装置发出指令，使冷氢流量调节装置控制冷氢管线与混合气管线的后段连通。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于，根据第一温度计检测到的温度指令冷氢流量调节装置调节冷氢管线中冷氢的流量，以使第一温度计检测到的温度维持在230-290℃之间。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征在于，该系统的尾气换热器与尾气管线的输出端相接，所述尾气换热器设置在混合气管线上，从而将混合气管线划分为前段和后段，

该系统还包括有用于流通冷却介质的尾气降温管线，所述尾气降温管线与尾气管线相连，尾气降温管线中的冷却介质能够对尾气管线中流通的尾气进行降温。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述尾气降温管线与尾气管线相连的位置设置在尾气夹套管的大法兰前段，尾气管线上设有第二温度计，其用于检测尾气的温度，

所述尾气降温管线上设有冷却介质流量调节装置，其用于控制尾气降温管线与尾气管线之间的通断并调节尾气降温管线中冷却介质的流量，

所述控制器与第二温度计、冷却介质流量调节装置分别相连，当第二温度计检测到尾气管线中尾气的温度达到600℃以上时，控制器向冷却介质流量调节装置发出指令，使冷却介质流量调节装置控制尾气降温管线与尾气管线连通。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于，根据第二温度计检测到的温度指令冷却介质流量调节装置调节尾气降温管线中冷却介质的流量，以使第二温度计检测到的温度维持在500-550℃之间。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，尾气管线的延长管线设置在尾气换热器和系统的氢气预热器之间，

该系统还包括硅粉过滤器，所述硅粉过滤器设置在尾气管线的延长管线上，用于对尾气管线中富集的硅粉进行清理。

14.根据权利要求7-9任一项所述的系统，其特征在于，所述冷氢管线为系统的氢气管线的分支管线。