CN112875709A - 流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统，包括反应段、和位于反应段上方且与反应段连接的扩大段，所述反应段设置有进气口，所述扩大段设置有出气口；所述反应段内和/或外设置有加热装置，所述扩大段内和/或外设置有冷却装置，所述反应段或扩大段设置有晶种添加口。本发明通过在扩大段使用冷却装置，使得一部分位于扩大段的原生微硅粉可以生长为晶种并下降至反应段并最终转变为颗粒硅产品，可以减少通过出气口进入尾气管线的原生微硅粉数量，从而降低堵塞尾气管线风险、解决影响流化床放映其稳定运行的问题，同时提高原生微硅粉的利用价值、显著减小非原生晶种的使用量，降低颗粒硅生产成本，以促进光伏发电的普及应用。

Description

流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统

技术领域

本发明涉及颗粒硅生产领域，尤其涉及流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统。

背景技术

多晶硅是硅基太阳能电池和硅基微电子器件的基础材料。当下，改良西门子法和流化床法是生产多晶硅的主流方法。改良西门子法具有技术成熟及产品纯度高等优势，但是存在生产能耗高、生产效率低、无法连续生产等劣势。流化床法正是针对改良西门子法劣势而产生的一种新兴的多晶硅生产方法，因此具有可连续生产、生产能耗低、生产效率高等优点，此外，流化床法的产品为粒径在毫米尺度的粒状多晶硅，不同于改良西门子法生产的棒状多晶硅，粒状多晶硅无需破碎，可直接作为拉制硅单晶的原料，这些优点使得流化床法显现出巨大的成本优势，也使得流化床法成为当前最具潜力的多晶硅绿色生产技术。

流化床法的特点是，在流化床反应器(FBR)中，以小粒径颗粒状多晶硅为沉积载体(晶种)，反应温度为500-1200℃，反应介质为硅烷或氯硅烷与氢气，推动晶种在反应介质气体中浮动翻滚，原料在晶种表面发生热分解反应或者还原反应生成单质硅，产生的单质硅沉积在颗粒硅籽晶表面，随着反应的进行，颗粒硅籽晶的粒径逐渐变大，直至达到规定的尺寸，最终以毫米级颗粒状多晶硅的形式采出。

在流化床反应过程中，硅烷或氯硅烷发生两种反应，即在晶种表面的非均相沉积反应和在自由空间的均相沉积反应。非均相沉积反应是目标反应，可以促进晶种的生长，而均相沉积反应会导致纳米级硅粉(原生微硅粉)的产生，微硅粉的存在不仅会影响流化床反应器的操作，还会影响颗粒硅的应用性能，以及会提高物料损耗。目前，多采用过滤器或沉降罐从流化床反应器尾气中分离出微硅粉，并将其作为副产物，用以制备三氯氢硅或外售，这使得微硅粉不具有高附加值。因此，开发一种流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统，以实现微硅粉的高附加值利用，是当下急需解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的第一方面，提供流化床反应器，包括反应段、和位于反应段上方且与反应段连接的扩大段，所述反应段设置有进气口，所述扩大段设置有出气口；所述反应段内和/或外设置有加热装置，所述扩大段内和/或外设置有冷却装置，所述反应段或扩大段设置有晶种添加口。

进一步地，所述反应段下方设置有成品出口。

进一步地，所述加热装置使反应段的晶种温度保持在600-1200℃，所述冷却装置使扩大段气温保持在350-500℃。

本发明的第二方面，提供颗粒硅生产方法，采用所述的流化床反应器，所述方法包括以下子步骤：

含硅气体通过进气口进入流化床反应器；

位于反应段的含硅气体在晶种表面发生非均相沉积反应，生成的颗粒硅下降；同时位于反应段的含硅气体发生均相沉积反应，生成的原生微硅粉上升至扩大段；

位于扩大区的含硅气体在原生微硅粉表面发生沉积反应，生成晶种下降至反应段。

进一步地，所述含硅气体包括氢气和氯硅烷、氢气和硅烷的混合气。

本发明的第三方面，提供颗粒硅生产系统，包括：

所述的流化床反应器；

晶种罐，与流化床反应器的晶种添加口连接；

原料气产生装置，与流化床反应器的进气口连接；

尾气分离与处理装置，与流化床反应器的出气口连接。

进一步地，所述尾气分离与处理装置包括旋风分离器，所述旋风分离器的尾气入口与流化床反应器的出气口连接；旋风分离器的硅粉分离出口与所述晶种罐连接。

进一步地，所述尾气分离与处理装置还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置的尾气入口与旋风分离器的尾气出口连接，尾气处理装置的处理出口与原料气产生装置连接。

进一步地，所述原料气产生装置包括氯硅烷/硅烷储罐、氢气储罐和原料混合器，氯硅烷/硅烷储罐的出气端、氢气储罐出气端均与原料混合器的进气端连接，原料混合器的出气端与流化床反应器的进气口连接。

进一步地，所述系统还包括：

收集罐，与流化床反应器的反应段下方设置的成品出口连接。

本发明的有益效果是：

(1)在本发明的一示例性实施例中，通过在扩大段使用冷却装置，使得一部分位于扩大段的原生微硅粉可以生长为晶种并下降至反应段并最终转变为颗粒硅产品。采用该种方式，可以减少通过出气口进入尾气管线的原生微硅粉数量，从而降低堵塞尾气管线风险、解决影响流化床放映其稳定运行的问题，同时提高原生微硅粉的利用价值、显著减小非原生晶种的使用量，降低颗粒硅生产成本，以促进光伏发电的普及应用。另外，对于其他可以实现该原理的产品制备，均可以采用该流化床反应器。

(2)在本发明的一示例性实施例中，对流化床反应器产生的尾气进行分离和处理采用旋风分离器实现，所述旋风分离器具有气体分离和固体分离的功能，其中旋风分离器的固体分离的功能将尾气中的原生微硅粉进行分离，进入晶种罐，并与晶种一并输送至流化床反应器内，从而在扩大区中生长后变成晶种，提高原生微硅粉的利用率。

(3)在本发明的一示例性实施例中，旋风分离器的气体分离将分离后尾气输送至尾气处理装置中，尾气处理装置具有分离尾气并纯化单一物料的功能，纯化后的单一物料作为原料输送至原料气产生装置中，进一步节约资源。

附图说明

图1为本发明一示例性实施例公开的流化床反应器的结构示意图；

图2为本发明一示例性实施例公开的颗粒硅生产系统的结构示意图；

图中，1-流化床反应器，11-反应段，111-进气口，112-加热装置，113-晶种添加口，12-扩大段，121-出气口，122-冷却装置，13-颗粒硅产品，14-晶种，15-原生微硅粉，16-颗粒硅下降管，2-旋风分离器，3-晶种罐，4-尾气处理装置，5-氯硅烷/硅烷储罐，6-氢气储罐，7-原料混合器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，属于“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

参见图1，图1示出了本发明的一示例性实施例中提供的流化床反应器1，包括反应段11、和位于反应段11上方且与反应段11连接的扩大段12，所述反应段11设置有进气口111，所述扩大段12设置有出气口121；所述反应段11内和/或外设置有加热装置112，所述扩大段12内和/或外设置有冷却装置122，所述反应段11或扩大段12设置有晶种添加口113。

具体地，在其中一示例性实施例中，该流化床反应器1可用于生产颗粒硅。而在其他示例性实施例中，只要可以满足下述条件，也可以用于生产其他产品。

在生产硅颗粒的示例性实施例中，晶种14晶种添加口113添加至流化床反应器1中(在一优选示例性实施例中，晶种添加口113设置于如图1所示的反应段11上方，而在又一示例性实施例中，晶种添加口113设置于扩大段12下方)，反应气体通过进气口111进入流化床反应器1，在反应气体的作用下，所述晶种14在反应段11处于浮动、流化状态。所述晶种14体积占流化床反应器1的反应段11的10-60％。

在其中一示例性实施例中，所述反应气体为含硅气体，具体可以为氢气和氯硅烷的混合气，也可以是氢气和硅烷的混合气。而在又一示例性实施例中，该反应气体的条件包括：温度为100-200℃，摩尔比为1:1-50:1(氢气:氯硅烷或硅烷)的氢气和氯硅烷的混合气、或氢气和硅烷的混合气。同时，在又一示例性实施例中，晶种14在通过晶种添加口113之前的温度为100-1200℃。

此时，反应段11作为颗粒硅生长区，而扩大段12作为晶种培育区进行生产，具体地：

所述晶种14在反应段11(即颗粒硅生长区)的加热装置111的作用下，使晶种14温度保持在第一温度范围内(在其中一示例性实施例中，第一温度范围优选为600-1200℃)，此时，在晶种14表面含硅原料发生非均相沉积反应并生成硅原子，硅原子按照一定方向不断地沉积在晶种14表面，直至使晶种14尺寸达到0.01-10mm，由晶种14转变为颗粒硅产品13，此刻，混合气(即反应气体)无法支持颗粒硅产品13的浮动，因此颗粒硅产品13下降至流化床反应器1底部，在一示例性实施例中颗粒硅产品13沿着颗粒硅下降管16进入收集罐。

同时，所述含硅气体在反应段11(即颗粒硅生长区)还将发生均相沉积反应，生成尺度为10-1000nm的自由原生微硅粉15。在气流的作用下，原生微硅粉15进入所述扩大段12(即晶种培育区)，由于扩大段12直径大于反应段11，因此在扩大段12内气体流速急剧下降，低气速的混合气带动原生微硅粉15在该区间内形成新的流化态，同时，利用扩大段12的冷却器122使气体温度下降(在一优选示例性实施例中，气体温度的范围为350-500℃)，在该温度下，含硅气体可继续在原生微硅粉15表面发成沉积反应，使得原生微硅粉15不断长大，直至变成尺寸为0.01-2mm的晶种14后下降至反应段11(即颗粒硅生长区)。剩余的原生微硅粉15连同含硅气体通过出气口121离开流化床反应器1。

因此，对于生产硅颗粒的过程，通过在扩大段12使用冷却装置122，使得一部分位于扩大段12的原生微硅粉15可以生长为晶种14并下降至反应段11并最终转变为颗粒硅产品。采用该种方式，可以减少通过出气口121进入尾气管线的原生微硅粉15数量，从而降低堵塞尾气管线风险、解决影响流化床放映其稳定运行的问题，同时提高原生微硅粉15的利用价值、显著减小非原生晶种的使用量，降低颗粒硅生产成本，以促进光伏发电的普及应用。

另外，对于其他可以实现该原理的产品制备，均可以采用该流化床反应器1。

具体地，对于加热装置112的具体设置方式，可以是如图1所示的设置于反应段11的外壁上(在其中一示例性实施例中，所述加热装置112可以由碳化硅、氮化硅、碳化钨、氧化铝、硅中一种或几种组成的筒体的外层)，也可以是设置于反应段12内部的电极加热方式。冷却装置122同理，在此不进行赘述(在其中一示例性实施例中，冷却装置122由碳化硅、氮化硅、碳化钨、氧化铝、硅中一种或几种组成的筒体的外层)。

所述扩大段12筒体的内径为反应段11筒体的1.5-5倍。进一步地，所述扩大段12筒体的长度为反应段11筒体的1-1.5倍。

所述颗粒硅产品13的尺寸为0.01-10mm，所述晶种14的尺寸为0.01-2mm，所述原生微硅粉15的尺寸为10-1000nm。

而进气口111优选设置为如图1所示的反应段11底部，也可以设置于为反应段11侧壁的下半段。而出气口121优选设置为如图1所示的扩大段12顶部，也可以设置于为扩大段12侧壁的上半段。

基于上述任一示例性实施例中提到的流化床反应器1，本发明的又一示例性实施例提供颗粒硅生产方法，所述方法包括以下子步骤：

含硅气体通过进气口111进入流化床反应器1；

位于反应段11的含硅气体在晶种14表面发生非均相沉积反应，生成的颗粒硅下降；同时位于反应段11的含硅气体发生均相沉积反应，生成的原生微硅粉15上升至扩大段12；

位于扩大区12的含硅气体在原生微硅粉15表面发生沉积反应，生成晶种14下降至反应段11。

另外，部分原生微硅粉15通过出气口121去外部进行处理。

更优地在一示例性实施例中，所述含硅气体包括氢气和氯硅烷、氢气和硅烷的混合气。

基于上述任一示例性实施例中提到的流化床反应器1，本发明的又一示例性实施例提供颗粒硅生产系统，如图2所示，包括：

所述的流化床反应器1；

晶种罐3，与流化床反应器1的晶种添加口113连接；

原料气产生装置，与流化床反应器1的进气口111连接；

尾气分离与处理装置，与流化床反应器1的出气口121连接。

具体地，在该示例性实施例中，晶种罐3用于向流化床反应器1提供晶种14，原料气产生装置用于向流化床反应器1提供反应气体(含硅气体)，尾气分离与处理装置用于对流化床反应器1产生的尾气进行分离和处理。

其中，晶种罐3内部可以设置加热器，用于对晶种14加热，以满足将晶种14输入至流化床1时需要达到的温度要求。具体地，在一示例性实施例中，温度为100-1200℃的晶种14由晶种罐3添加至流化床反应器1的扩大区12下边界。

更优地，在一示例性实施例中，如图2所示，所述尾气分离与处理装置包括旋风分离器2，所述旋风分离器2的尾气入口与流化床反应器1的出气口121连接；旋风分离器2的硅粉分离出口与所述晶种罐3连接。

具体地，在该示例性实施例中，对流化床反应器1产生的尾气进行分离和处理采用旋风分离器2实现，所述旋风分离器2具有气体分离和固体分离的功能，其内壁材质为碳化硅或氮化硅或碳化钨或氧化铝或硅，旋风分离器2底部插入至所述晶种罐3内。其中旋风分离器2的固体分离的功能将尾气中的原生微硅粉15进行分离，进入晶种罐3，并与晶种14一并输送至流化床反应器1内，从而在扩大区12中生长后变成晶种14，提高原生微硅粉15的利用率。

更优地，在一示例性实施例中，如图2所示，所述尾气分离与处理装置还包括尾气处理装置4，所述尾气处理装置4的尾气入口与旋风分离器2的尾气出口连接，尾气处理装置4的处理出口与原料气产生装置连接。

具体地，在该示例性实施例中，旋风分离器2的气体分离将分离后尾气输送至尾气处理装置4中，尾气处理装置4具有分离尾气并纯化单一物料的功能，纯化后的单一物料作为原料输送至原料气产生装置中，进一步节约资源。

更优地，在一示例性实施例中，如图2所示，所述原料气产生装置包括氯硅烷/硅烷储罐5、氢气储罐6和原料混合器7，氯硅烷/硅烷储罐5的出气端、氢气储罐6出气端均与原料混合器7的进气端连接，原料混合器7的出气端与流化床反应器1的进气口111连接。

具体地，在该示例性实施例中，所述氯硅烷/硅烷储罐储5存有四氯化硅或三氯氢硅或二氯二氢硅或一氯三氢硅或硅烷，所述氢气储罐储6存有氢气，所述原料混合器7具有混合、加热含硅物料和氢气的功能。混合后的气体通过流化床反应器1的进气口111进入流化床反应器1。

当尾气处理装置4的处理出口与原料气产生装置连接时，如图2所示，尾气处理装置4中的含硅物料出口与氢气出口分别通过管线与所述原料混合器7连接。

更优地，在一示例性实施例中，所述系统还包括：

收集罐，与流化床反应器1的反应段12下方设置的成品出口(颗粒硅下降管16)连接。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.流化床反应器，其特征在于：包括反应段、和位于反应段上方且与反应段连接的扩大段，所述反应段设置有进气口，所述扩大段设置有出气口；所述反应段内和/或外设置有加热装置，所述扩大段内和/或外设置有冷却装置，所述反应段或扩大段设置有晶种添加口。

2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于：所述反应段下方设置有成品出口。

3.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于：所述加热装置使反应段的晶种温度保持在600-1200℃，所述冷却装置使扩大段气温保持在350-500℃。

4.颗粒硅生产方法，采用权利要求1～3中任意一项所述的流化床反应器，其特征在于：所述方法包括以下子步骤：

含硅气体通过进气口进入流化床反应器；

位于反应段的含硅气体在晶种表面发生非均相沉积反应，生成的颗粒硅下降；同时位于反应段的含硅气体发生均相沉积反应，生成的原生微硅粉上升至扩大段；

位于扩大区的含硅气体在原生微硅粉表面发生沉积反应，生成晶种下降至反应段。

5.根据权利要求4所述的颗粒硅生产方法，其特征在于：所述含硅气体包括氢气和氯硅烷、氢气和硅烷的混合气。

6.颗粒硅生产系统，其特征在于：包括：

如权利要求1～3中任意一项所述的流化床反应器；

晶种罐，与流化床反应器的晶种添加口连接；

原料气产生装置，与流化床反应器的进气口连接；

尾气分离与处理装置，与流化床反应器的出气口连接。

7.根据权利要求6所述的颗粒硅生产系统，其特征在于：所述尾气分离与处理装置包括旋风分离器，所述旋风分离器的尾气入口与流化床反应器的出气口连接；旋风分离器的硅粉分离出口与所述晶种罐连接。

8.根据权利要求7所述的颗粒硅生产系统，其特征在于：所述尾气分离与处理装置还包括尾气处理装置，所述尾气处理装置的尾气入口与旋风分离器的尾气出口连接，尾气处理装置的处理出口与原料气产生装置连接。

9.根据权利要求6或8所述的颗粒硅生产系统，其特征在于：所述原料气产生装置包括氯硅烷/硅烷储罐、氢气储罐和原料混合器，氯硅烷/硅烷储罐的出气端、氢气储罐出气端均与原料混合器的进气端连接，原料混合器的出气端与流化床反应器的进气口连接。

10.根据权利要求6所述的颗粒硅生产系统，其特征在于：所述系统还包括：

收集罐，与流化床反应器的反应段下方设置的成品出口连接。

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