CN108314051A - 多晶硅还原系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多晶硅还原系统及其应用。其中，该多晶硅还原系统包括：还原炉、第一换热器、汽化器、混合器和第二换热器。通过第一和第二换热器两个换热器及汽化器对还原炉产生的大量高温还原尾气进行能量递级利用，逐步将高温还原尾气的余热转移到多晶硅还原的原料上，满足生产需求，实现了能量的综合合理利用，降低了多晶硅还原系统的能耗。

Description

多晶硅还原系统及其应用

技术领域

本发明涉及化工领域，具体地，涉及多晶硅还原系统及其应用，更具体地，涉及多晶硅还原系统，和利用该多晶硅还原系统回收多晶硅还原尾气余热的方法。

背景技术

多晶硅是太阳能光伏的基础原料，在光伏电池生产中起着举足轻重的作用，如何低成本的生产高品质的多晶硅是多晶硅生产工作者一直以来孜孜追求的目标。现有的多晶硅生产90％以上采用改良西门子工艺技术，即将高纯三氯氢硅和高纯氢气混合后进入到还原炉内进行气相沉积获得高纯多晶硅，在这个生产过程中，为了维持还原炉内多晶硅的气相沉积条件，需要由配套的电器系统持续稳定的供电，通过多晶硅的沉积，这些电能全部转换到多晶硅还原生产过程中，部分用在了载体发热上，大部分进入尾气中携带到还原系统外，因此合理利用这部分能量，降低还原系统对外界能量的需求是一种有效降低多晶硅生产成本的方法。

由此，能耗更低的多晶硅还原系统有待进一步研究。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种多晶硅还原系统，该系统通过多个换热器对还原炉产生的大量高温还原尾气进行能量递级利用，逐步将高温还原尾气的余热转移到多晶硅还原的原料上，满足生产需求，实现了能量的综合合理利用，降低了多晶硅还原系统的能耗。

需要说明的是，本发明是基于发明人的下列工作而完成的：

在改良西门子多晶硅生产工艺中，还原系统所消耗的电能占到多晶硅生产的综合电能的65％以上，因此还原系统的电能有效利用将会降低生产综合电耗，从而有效降低多晶硅生产成本。发明人发现，多晶硅还原系统的电能利用问题，主要是直接将电能转换为热量被高温还原尾气携带出还原炉后的有效利用问题，发明人从多晶硅还原的物料周转流程以及高低温热量需求角度出发，通过能量的递级利用，将高温还原尾气携带的热量大部分转移到需加热的多晶硅生产原料中，从而使得还原系统在运行过程中不需要再从系统外补充能量，实现了能量闭环利用，能量利用率高、操作简单方便、并且系统运行的稳定性好。

因而，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种多晶硅还原系统。根据本发明的实施例，该系统包括：还原炉，所述还原炉具有预热后的混合气入口和高温还原尾气出口；第一换热器，所述第一换热器具有高温还原尾气入口、混合气入口、第一冷却还原尾气出口和预热后的混合气出口，所述高温还原尾气入口与所述高温还原尾气出口相连，所述预热后的混合气出口与所述预热后的混合气入口相连；汽化器，所述汽化器具有第一冷却还原尾气入口、三氯氢硅入口、第二冷却还原尾气出口和汽化三氯氢硅出口，所述第一冷却还原尾气入口与所述第一冷却还原尾气出口相连；混合器，所述混合器具有汽化三氯氢硅入口、预热后的氢气入口和混合气出口，所述汽化三氯氢硅入口与所述汽化三氯氢硅出口相连，所述混合气出口与所述混合气入口相连；以及第二换热器，所述第二换热器具有第二冷却还原尾气入口、氢气入口、第三冷却还原尾气出口和预热后的氢气出口，所述第二冷却还原尾气入口与所述第二冷却还原尾气出口相连，所述预热后的氢气出口与所述预热后的氢气入口相连。

根据本发明实施例的多晶硅还原系统，通过第一和第二换热器两个换热器及汽化器对还原炉产生的大量高温还原尾气进行能量递级利用，逐步将高温还原尾气的余热转移到多晶硅还原生产用的原料上，满足生产需求，从而使得还原系统在运行过程中减少甚至不需要再从系统外补充能量，实现了能量闭环利用，实现了能量的综合合理利用，能量利用率高、降低了多晶硅还原系统的能耗，并且操作简单方便，系统运行的稳定性好。

另外，根据本发明上述实施例的多晶硅还原系统还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，该系统进一步包括：第三换热器，所述第三换热器具有第三冷却还原尾气入口、水入口、第四冷却还原尾气出口和热水出口，所述第三冷却还原尾气入口与所述第二换热器的第三冷却还原尾气出口相连。

根据本发明的实施例，所述第一换热器为气气换热器。

根据本发明的实施例，所述第三换热器为汽水换热器。

在此基础上，本发明进一步提出了一种利用前述的多晶硅还原系统回收多晶硅还原尾气余热的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将还原炉的还原尾气输送至第一换热器，将所述还原尾气与混合气进行第一换热处理，以便得到第一冷却还原尾气和预热后的混合气；所述第一冷却还原尾气输送至汽化器对所述三氯氢硅进行汽化处理，以便得到第二冷却还原尾气和汽化三氯氢硅；所述第二冷却还原尾气输送至第二换热器与氢气进行第二换热处理，以便得到第三冷却还原尾气和预热后的氢气，其中，所述预热后的氢气和所述汽化三氯氢硅在混合器中混合为所述混合气。

由此，该回收多晶硅还原尾气余热的方法通过第一和第二换热器两个换热器及汽化器对还原炉产生的大量高温还原尾气进行能量递级利用，逐步将高温还原尾气的余热转移到多晶硅还原的原料上，满足生产需求，从而使得还原系统在运行过程中不需要再从系统外补充能量，实现了能量闭环利用，实现了能量的综合合理利用，能量利用率高、降低了多晶硅还原系统的能耗，并且操作简单方便，稳定性好。此外，该方法所采用的多晶硅还原系统具有前述多晶硅还原系统的全部优点，在此不再一一赘述。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：将所述第三冷却还原尾气与水进行第三换热处理，以便得到预热的水和第四冷却还原尾气。

根据本发明的实施例，所述还原尾气的温度不低于650摄氏度。

根据本发明的实施例，所述第一冷却还原尾气的温度为500-550摄氏度。

根据本发明的实施例，所述第二冷却还原尾气的温度为300-350摄氏度。

根据本发明的实施例，所述第三冷却还原尾气的温度为120-150摄氏度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明一个实施例的多晶硅还原系统的结构示意图；

图2显示了根据本发明一个实施例的多晶硅还原系统的结构示意图；

图3显示了根据本发明一个实施例的利用多晶硅还原系统回收多晶硅还原尾气余热的方法的流程示意图；

图4显示了根据本发明一个实施例的利用多晶硅还原系统回收多晶硅还原尾气余热的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

多晶硅还原系统

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种多晶硅还原系统。根据本发明实施例的多晶硅还原系统，通过第一和第二换热器两个换热器及汽化器对还原炉产生的大量高温还原尾气进行能量递级利用，逐步将高温尾气的余热转移到多晶硅还原的原料上，满足生产需求，从而使得还原系统在运行过程中减少甚至不需要再从系统外补充能量，实现了能量闭环利用，实现了能量的综合合理利用，能量利用率高、降低了多晶硅还原系统的能耗，并且操作简单方便，系统运行的稳定性好。

为了便于理解该多晶硅还原系统，参考图1，根据本发明的实施例，对该多晶硅还原系统进行解释说明，其中，图中箭头的方向代表物料流动的方向，具体如下：

还原炉100：根据本发明的实施例，该还原炉100具有预热后的混合气入口和高温尾气出口。该还原炉100可以是现有的常规的多晶硅还原炉即可，该还原炉100对汽态的三氯氢硅进行还原处理，得到多晶硅和高温还原尾气，该高温还原尾气含有大量的热量。例如，还原炉100内多晶硅气相沉积载体温度一般在1000℃以上，炉内气相氛围温度也在800℃左右，还原尾气从还原炉内出气口出系统温度高达650℃，含有大量的热量，可以以此为热源，对多晶硅还原的原料进行加热，可以满足多晶硅原料预热的热量需求。

第一换热器200：根据本发明的实施例，该第一换热器200具有高温还原尾气入口、混合气入口、第一冷却还原尾气出口和预热后的混合气出口，其中，高温还原尾气入口与高温还原尾气出口相连，预热后的混合气出口与预热后的混合气入口相连。也就是说，通过第一换热器200利用高温还原尾气对混合气进行预热，例如，650摄氏度以上的还原尾气通过第一换热器给进入还原炉100的混合气进行预热后可降至500～550℃，高温还原尾气的热量进行了第一级利用。

其中，需要说明的是，本发明实施例的第一换热器200的种类不受特别的限制，只要是能进行气气换热即可。根据本发明的优选实施例，该第一换热器200可以为气气换热器。由此，针对高温还原尾气和混合气均是气态的特点，有针对性地选择气气换热器，气气换热的效率和能量利用率高。

汽化器300：根据本发明的实施例，该汽化器300具有第一冷却还原尾气入口、三氯氢硅入口、第二冷却还原尾气出口和汽化三氯氢硅出口，其中，第一冷却还原尾气入口与第一冷却还原尾气出口相连，通过汽化器300利用高温还原尾气对三氯氢硅进行汽化。例如，从第一换热器200排出的500～550℃的高温还原尾气进入到汽化器300内给液态三氯氢硅加热，使三氯氢硅汽化，由于500～550℃的高温还原尾气与液态三氯氢硅存在较高的温差，对液态三氯氢硅的汽化有着较大的推动力，可以使三氯氢硅快速汽化，通过汽化器300后，还原尾气温度可以降至300～350℃，高温还原尾气的热量进行了第二级利用。

混合器400：根据本发明的实施例，该混合器400具有汽化三氯氢硅入口、预热后的氢气入口和混合气出口，其中，汽化三氯氢硅入口与汽化三氯氢硅出口相连，混合气出口与混合气入口相连，汽化三氯氢硅和预热后的氢气在混合器400内进行混合得到混合气，该混合气进入还原炉100中进行还原处理，得到多晶硅。

其中，需要说明的是，混合气的温度的高低直接影响到还原炉100的运行稳定性和能耗高低，进而，如前所述，利用第一换热器200在进入还原炉100前，对混合气进行预热，提高了还原炉的稳定性，并且采用高温还原尾气进行预热，降低了生产能耗。

第二换热器500：根据本发明的实施例，该第二换热器500具有第二冷却还原尾气入口、氢气入口、第三冷却还原尾气出口和预热后的氢气出口，其中，第二冷却还原尾气入口与第二冷却还原尾气出口相连，预热后的氢气出口与预热后的氢气入口相连，通过该第二换热器500利用第二冷却还原尾气，也就是逐渐冷却换热的高温还原尾气对氢气进行加热，用第二冷却还原尾气预热氢气，确保管道混合器内氢气与三氯氢硅的混合安全稳定。例如，300～350℃的第二冷却还原尾气对低温氢气进行预热，使第二冷却还原尾气进一步降温，降温后的还原尾气，即第三冷却还原尾气，温度低至120～150℃，从而，高温还原尾气的热量进行了第三级利用。

其中，需要说明的是，本发明实施例的第二换热器500的种类不受特别的限制，只要是能进行气气换热即可。根据本发明的优选实施例，该第二换热器500也可以为气气换热器。由此，针对高温还原尾气和混合气均是气态的特点，有针对性地选择气气换热器，气气换热的效率和能量利用率高。

参考图2，根据本发明的实施例，根据后续还原尾气回收工艺特点，该系统可以进一步包括：第三换热器600，其中，图中箭头的方向代表物料流动的方向，该第三换热器600具有第三冷却还原尾气入口、水入口、第四冷却还原尾气出口和热水出口，其中，第三冷却还原尾气入口与第二换热器500的第三冷却还原尾气出口相连，通过第三换热器600利用第三冷却还原尾气，即逐渐换热冷却的还原尾气，对水进行加热，使高温还原尾气的热量进行第四级利用。

根据本发明的实施例，该第三换热器600可以为汽水换热器。由此，针对换热的两种原料水和第三冷却还原尾气的状态，选择汽水换热器进行换热，换热的效率和能量利用率高。

回收多晶硅还原尾气余热的方法

在此基础上，本发明进一步提出了一种利用前述的多晶硅还原系统回收多晶硅还原尾气余热的方法。由此，该回收多晶硅还原尾气余热的方法通过第一和第二换热器两个换热器对还原炉产生的大量高温还原尾气进行能量递级利用，逐步将高温还原尾气的余热转移到多晶硅还原的原料上，满足生产需求，从而使得还原系统在运行过程中不需要再从系统外补充能量，实现了能量闭环利用，实现了能量的综合合理利用，能量利用率高、降低了多晶硅还原系统的能耗，并且操作简单方便，稳定性好。此外，该方法所采用的多晶硅还原系统具有前述多晶硅还原系统的全部优点，在此不再一一赘述。

参考图3，根据本发明的实施例，对该回收多晶硅还原尾气余热的方法进行解释说明，具体如下：

S100第一换热处理

根据本发明的实施例，将还原炉的还原尾气输送至第一换热器，将还原尾气与混合气进行第一换热处理，得到第一冷却还原尾气和预热后的混合气，对高温还原尾气的热量进行第一级利用。

一般情况下，还原炉内多晶硅气相沉积载体温度一般在1000℃以上，炉内气相氛围温度也在800℃左右，还原尾气从还原炉内出气口出系统温度高达650℃。也就是说，根据本发明的实施例，该还原尾气的温度不低于650摄氏度。该还原尾气通过第一换热器给进入还原炉的混合气进行预热后可降至500～550℃，也就是说，根据本发明的实施例，第一冷却还原尾气的温度可以为500-550摄氏度。该第一换热处理是本发明实施例的回收多晶硅还原尾气余热的方法中高温还原尾气的热量的第一级利用。

S200汽化处理

根据本发明的实施例，第一冷却还原尾气输送至汽化器对三氯氢硅进行汽化处理，得到第二冷却还原尾气和汽化三氯氢硅。例如，从第一换热器排出的500～550℃的高温还原尾气进入到汽化器内给液态三氯氢硅加热，使三氯氢硅汽化，由于500～550℃的高温还原尾气与液态三氯氢硅存在较高的温差，对液态三氯氢硅的汽化有着较大的推动力，可以使三氯氢硅快速汽化，通过汽化器后，还原尾气温度可以降至300～350℃。也就是说，根据本发明的实施例，该第二冷却还原尾气的温度为300-350摄氏度。该汽化处理是本发明实施例的回收多晶硅还原尾气余热的方法中高温还原尾气的热量的第二级利用。

S300第二换热处理

根据本发明的实施例，第二冷却还原尾气输送至第二换热器与氢气进行第二换热处理，得到第三冷却还原尾气和预热后的氢气。也就是逐渐冷却换热的高温还原尾气对氢气进行加热，用第二冷却还原尾气预热氢气，确保管道混合器内氢气与三氯氢硅的混合安全稳定。例如，300～350℃的第二冷却还原尾气对低温氢气进行预热，使第二冷却还原尾气进一步降温，降温后还原尾气，即第三冷却还原尾气，温度低至120～150℃，也就是说，根据本发明的实施例，该第三冷却还原尾气的温度为120～150摄氏度。该第二换热处理是本发明实施例的回收多晶硅还原尾气余热的方法中高温还原尾气的热量的第三级利用。

其中，需要说明的是，预热后的氢气和汽化三氯氢硅在混合器中混合为混合气，该混合气在还原炉中进行还原处理，得到多晶硅和高温还原尾气。

参考图4，根据后续还原尾气回收工艺特点，确定是否还需要降低还原尾气的温度，如果需要，根据本发明的实施例，该方法可以进一步包括：

S400第三换热处理

根据本发明的实施例，将第三冷却还原尾气与水进行第三换热处理，得到预热的水和第四冷却还原尾气。即逐渐换热冷却的还原尾气，对水进行加热，使高温还原尾气的热量进行第四级利用。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本发明的限制。

下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

利用本发明实施例的多晶硅还原系统，以氢气和三氯氢硅为原料，回收多晶硅还原尾气的余热，具体方法如下：

(1)将预热后的氢气与汽化的三氯氢硅输送至混合器进行混合，得到混合气体；

(2)将混合气体输送至还原炉进行还原处理，得到多晶硅和高温还原尾气，还原炉内多晶硅气相沉积载体温度达1000℃以上，炉内气相氛围温度在800℃左右，还原尾气从还原炉内出气口排出的温度约为650℃；

(3)将高温还原尾气输送至管道混合器，与为还原炉供料的混合气进行换热，得到预热的混合气和第一冷却还原尾气，该第一冷却还原尾气温度为500～550℃；

(4)将该第一冷却还原尾气输送至汽化器内给液态三氯氢硅加热，使得三氯氢硅汽化，得到汽态三氯氢硅和第二冷却还原尾气，该第二冷却还原尾气的温度为300～350℃；

(5)将第二冷却还原尾气输送至气气换热器，第二冷却还原尾气对低温氢气进行预热，第二冷却还原尾气进一步降温，得到第三冷却还原尾气和预热的氢气，第三冷却还原尾气的温度降至120～150℃；

(6)将第三冷却还原尾气输送至汽水换热器，加热冷水的同时降低第三冷却还原尾气的温度，得到热水和冷却的还原尾气。

在该还原尾气回收的方法中，还原尾气中携带的热量被充分的利用到多晶硅还原所需原料的加热中，有效的提高多晶硅还原系统余热利用效率，而且全过程主要以物料与物料的换热或者物料与压力低的低温冷却水接触，可以确保还原系统运行的稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种多晶硅还原系统，其特征在于，包括：

还原炉，所述还原炉具有预热后的混合气入口和高温还原尾气出口；

第一换热器，所述第一换热器具有高温还原尾气入口、混合气入口、第一冷却还原尾气出口和预热后的混合气出口，所述高温还原尾气入口与所述高温还原尾气出口相连，所述预热后的混合气出口与所述预热后的混合气入口相连；

汽化器，所述汽化器具有第一冷却还原尾气入口、三氯氢硅入口、第二冷却还原尾气出口和汽化三氯氢硅出口，所述第一冷却还原尾气入口与所述第一冷却还原尾气出口相连；

混合器，所述混合器具有汽化三氯氢硅入口、预热后的氢气入口和混合气出口，所述汽化三氯氢硅入口与所述汽化三氯氢硅出口相连，所述混合气出口与所述混合气入口相连；以及

第二换热器，所述第二换热器具有第二冷却还原尾气入口、氢气入口、第三冷却还原尾气出口和预热后的氢气出口，所述第二冷却还原尾气入口与所述第二冷却还原尾气出口相连，所述预热后的氢气出口与所述预热后的氢气入口相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

第三换热器，所述第三换热器具有第三冷却还原尾气入口、水入口、第四冷却还原尾气出口和热水出口，所述第三冷却还原尾气入口与所述第二换热器的第三冷却还原尾气出口相连。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一换热器为气气换热器。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第三换热器为汽水换热器。

5.一种利用权利要求1-4任一项所述的多晶硅还原系统回收多晶硅还原尾气余热的方法，其特征在于，包括：

将还原炉的还原尾气输送至第一换热器，将所述还原尾气与混合气进行第一换热处理，以便得到第一冷却还原尾气和预热后的混合气；

所述第一冷却还原尾气输送至汽化器对所述三氯氢硅进行汽化处理，以便得到第二冷却还原尾气和汽化三氯氢硅；以及

所述第二冷却还原尾气输送至第二换热器与氢气进行第二换热处理，以便得到第三冷却还原尾气和预热后的氢气，

其中，所述预热后的氢气和所述汽化三氯氢硅在混合器中混合为所述混合气。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：

将所述第三冷却还原尾气与水进行第三换热处理，以便得到预热的水和第四冷却还原尾气。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述还原尾气的温度不低于650摄氏度。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一冷却还原尾气的温度为500-550摄氏度。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二冷却还原尾气的温度为300-350摄氏度。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三冷却还原尾气的温度为120-150摄氏度。