CN113753899B - 一种还原炉保温结构、多晶硅还原炉及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及保温结构技术领域，尤其涉及一种还原炉保温结构，从内至外依次包括：均流板、缓冲板和炉壁；均流板包括若干均匀分布的第一孔位，且内部围设成反应区；缓冲板包括若干均匀分布的第二孔位，且与均流板之间形成均流区；炉壁包括内壁和外壁，二者间形成环形腔体，环形腔体一侧底部设置有入口，另一侧顶部设置有出口，内壁与缓冲板之间形成缓冲区；其中，原料气体自缓冲区流入还原炉内，且自反应区流出还原炉。本发明中提供了一种能够对反应区内的温度进行有效保温的还原炉保温结构，目的在于确保反应区内温度场的平衡，从而有效保证最终多晶硅产品的质量。本发明中还请求保护一种多晶硅还原炉及工作方法，具有同样的技术效果。

Description

一种还原炉保温结构、多晶硅还原炉及工作方法

技术领域

本发明涉及保温结构技术领域，特别是涉及一种还原炉保温结构、多晶硅还原炉及工作方法。

背景技术

多晶硅生产是太阳能产业链中的重要环节，目前我国制造企业大多采用改良西门子法生产多晶硅，改良西门子工艺由5个环节组成，包括：生成SiHCl₃、提纯SiHCl₃、氢还原SiHCl₃（还原沉积）、尾气处理和SiCl₄的氢化分离。SiHCl₃在最初生成时，产物中伴有杂质，需要进一步精馏制得高纯SiHCl3，最后将高纯SiHCl₃与高纯H₂按一定比例通入反应器内，1100℃（1373K）左右的高纯硅芯表面上连续不间断长时间还原沉积得到多晶硅棒。

多晶硅还原沉积过程的主要能量是通过给硅棒通电加热而获得的，是改良西门子工艺最主要的耗能环节，约占生产综合电耗的60%。还原炉在生产过程中，除了原料气体发生化学反应所需要的反应热，其余热量的一部分是通过辐射散热传递给炉内壁，并由炉壁夹套的冷却水系统带走，此部分热量无法得到应用，使得能耗的损失较大，同时，由于冷却水系统与炉内存在温差，当冷却过程控制不平稳时，可能会破坏反应腔内的温度场平衡，使得多晶硅的生产质量受到影响。

鉴于上述问题，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期设计一种还原炉保温结构、多晶硅还原炉及工作方法。

发明内容

本发明提供了一种还原炉保温结构，可有效解决背景技术中的问题，同时本发明中还请求保护一种多晶硅还原炉及工作方法，具有同样的技术效果。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种还原炉保温结构，从内至外依次包括：均流板、缓冲板和炉壁；

所述均流板包括若干均匀分布的第一孔位，且内部围设成反应区；

所述缓冲板包括若干均匀分布的第二孔位，且与所述均流板之间形成均流区；

所述炉壁包括内壁和外壁，二者间形成供冷却介质流通的环形腔体，所述环形腔体一侧底部设置有入口，另一侧顶部设置有出口，所述内壁与所述缓冲板之间形成缓冲区；

其中，原料气体自所述缓冲区流入还原炉内，且自所述反应区流出所述还原炉。

进一步地，所述均流板、缓冲板和内壁为两两平行设置的空心圆柱体结构。

进一步地，所述第一孔位和第二孔位错位设置。

进一步地，所述均流区分别位于所述缓冲板和均流板上的侧壁覆盖有二氧化硅气凝胶和二氧化硅微米球形成的复合结构层。

进一步地，所述炉壁内设置有若干隔流挡板，用于对流通中的冷却介质提供阻力。

一种采用上述的还原炉保温结构的多晶硅还原炉，还包括保温端板，分别用于所述还原炉保温结构顶部和底部的封堵，所述保温端板包括：

内层板，设置有至少两个第一贯通孔，且围绕所述第一贯通孔沿垂直板面的方向引出有第一导管；

外层板，与所述第一贯通孔一一对应设置有第二贯通孔，且围绕所述第二贯通孔沿垂直板面的方向引出有第二导管；

环状板体，对平行设置的所述内层板和外层板进行连接，形成腔体结构；

其中，所述第一导管套设于所述第二导管内，且与所述第二导管间形成联通所述腔体结构的流通通道，所述第一导管一部分联通所述反应区，另一部分联通所述缓冲区。

进一步地，所述均流板、缓冲板、炉壁和保温端板均为不锈钢结构。

进一步地，仅一根所述第一导管联通所述反应区，且设置于所述保温端板的中心位置，冷却介质围绕一根所述第一导管进入所述腔体结构。

一种如上所述的多晶硅还原炉的工作方法，包括以下步骤：

自与所述缓冲区联通的所述第一导管向所述缓冲区供给原料气体，令所述原料气体分别自所述缓冲区、均流区而进入所述反应区，且反应后自与所述反应区联通的第一导管流出。

进一步地，还包括以下步骤：

自围绕与所述反应区联通的第一导管设置的流通通道，向所述腔体结构内供给冷却介质，且所述冷却介质自其余流通通道流出；

将来自所述腔体结构的冷却介质自所述入口供给至所述环形腔体，且自所述出口流出。

通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：

在还原炉工作的过程中，原料气体首先到达缓冲区，随后经过第二孔位后进入均流区，在均流区获得相对均匀的分散后，经第一孔位进入反应区；本发明中一方面充分利用了气流对于热量的冲击，而使得热量更加集中的被限制在反应区内，实现了第一重的保温效果；另一方面，通过均流板和缓冲板双重板体的设置，也在一定程度上阻碍了热量向外的散发，原料气体自缓冲区流入还原炉内，此时原料气体的温度较低，因此在与炉壁进行热交换的过程中，必然会使得仅仅少量的热量被环形腔体内的冷却介质交换走，减少了热量的流失，而在均流区内，由于相对靠近反应区，因此温度较高，而来自第二孔位的气体对均流区内持续的进行冲击，使得热量向缓冲区流通的趋势受阻，原料气体在此区域内温度较大程度提高，此种提高使其在进入反应区时，可有效的避免对反应区内的温度场造成冲击，从而有效的提高了反应区内温度的稳定性；而第三方面，高温的反应气体自反应区流出还原炉，较为集中的高温气体流通区域可便于进行热量的集中回收，也有助于所排放尾气的后续处理、降低了能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为多晶硅还原炉的结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为缓冲板与保温端板的连接示意图；

图5为还原炉保温结构与一个保温端板的连接示意图；

图6为图5中B处的局部放大图；

图7为保温端板在第一方向下的结构示意图；

图8为保温端板在第二方向下的结构示意图；

图9为内层板与环状板体的连接示意图；

图10为外层板的结构示意图；

图11为外层板与环状板体的连接示意图；

图12为图7中C处的局部放大图；

图13为保温端板的剖视图；

图14为图13中D处的局部放大图；

附图标记：1、均流板；11、第一孔位；2、缓冲板；21、第二孔位；3、炉壁；31、内壁；32、外壁；33、环形腔体；34、入口；35、出口；4、反应区；5、均流区；6、缓冲区；7、内层板；71、第一贯通孔；72、第一导管；8、外层板；81、第二贯通孔；82、第二导管；9、环状板体；10、流通通道；101、腔体结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1~6所示，一种还原炉保温结构，从内至外依次包括：均流板1、缓冲板2和炉壁3；均流板1包括若干均匀分布的第一孔位11，且内部围设成反应区4；缓冲板2包括若干均匀分布的第二孔位21，且与均流板1之间形成均流区5；炉壁3包括内壁31和外壁32，二者间形成供冷却介质流通的环形腔体33，环形腔体33一侧底部设置有入口34，另一侧顶部设置有出口35，内壁31与缓冲板2之间形成缓冲区6；其中，原料气体自缓冲区6流入还原炉内，且自反应区4流出还原炉。

如图1~6所示，本发明中提供了一种能够对反应区4内的温度进行有效保温的还原炉保温结构，具体地，所要实现的技术目的在于确保反应区4内温度场的平衡，从而有效保证最终多晶硅产品的质量。

在工作的过程中，上述保温通过以下原理实现：

在还原炉工作的过程中，原料气体首先到达缓冲区6，随后经过第二孔位21后进入均流区5，在均流区5获得相对均匀的分散后，经第一孔位11进入反应区4，在本发明中为了更好的进行说明，定义上述原料气体的流通方向为正向；而在反应区4内，硅棒通电加热而产生大量的热量，炉壁3提供了与热量进行热交换的结构，热量自反应区4向缓冲区6流通而与炉壁3进行热交换的过程中，必然形成与上述正向相反的流通方向，此方向我们对应定义为逆向；本发明中一方面充分利用了正向气流对于热量的正向冲击，而使得热量更加集中的被限制在反应区4内，实现了第一重的保温效果；另一方面，通过均流板1和缓冲板2双重板体的设置，也在一定程度上阻碍了热量向外的散发，原料气体自缓冲区6流入还原炉内，此时原料气体的温度较低，因此在与炉壁3进行热交换的过程中，必然会使得仅仅少量的热量被环形腔体33内的冷却介质交换走，降低了热量的损耗，而在均流区5内，由于相对靠近反应区4，因此温度较高，而来自第二孔位21的气体对均流区5内持续的进行冲击，使得热量向缓冲区6流通的趋势受阻，原料气体在此区域内温度较大程度提高，此种提高使其在进入反应区4时，可有效的避免对反应区4内的温度场造成冲击，从而有效的提高了反应区4内温度的稳定性；而第三方面，高温的反应气体自反应区4流出还原炉，较为集中的高温气体流通区域可便于进行热量的集中回收，也有助于所排放尾气的后续处理、降低了能耗。

本发明采用侧向进气和匀流区5，保证反应区4内的硅棒根部至顶气流均匀分布；降低反应区4温度场和物相分布的扰动；保证还原炉内气流呈湍流状态，防止反应区4的气流逆向发生扰动；提高了炉腔内的温度场的稳定性和均匀性；从而实现多晶硅表面沉积均匀性，降低能量的损失。

其中，从结构细节出发，优选均流板1、缓冲板2和内壁31为两两平行设置的空心圆柱体结构，空心圆柱体结构的设置使得原料气体的流通在更加平滑的空间内进行，保证了流通的流畅性，且上述结构形式便于加工，当然，外壁32也优选设置为此种结构形式。

为了将上述技术效果发挥的更优，第一孔位11和第二孔位21错位设置，此种设置形式使得自第二孔位21进入的气体可通过撞击到均流板1的无孔区域而被反射，从而一方面获得更长的热交换时间，而携带更多的热量进入到反应区4内，降低热量的流失，另一方面可与新进入的气体实现更好的均流，从而以更加均匀的状态进入到反应区4。

本发明中，通过缓冲板2和均流板1的设置，除了保证反应区4内的温度场平衡，还有效的提高了反应区4内反应速率的平衡性，从而进一步的提高了多晶硅产品的质量，具体的原理如下：

通过缓冲板2和均流板1的设置，本发明中反应气体浓度沿着还原炉径向由外向内逐渐减小，而温度分布是有外向内逐渐增加，这样就平衡了整个反应炉的反应速率，从而可提高多晶硅的质量、原料气体的利用效率。

为了进一步提升保温的效果，均流区5分别位于缓冲板2和均流板1上的侧壁覆盖有二氧化硅气凝胶和二氧化硅微米球形成的复合结构层，上述复合结构层的优势在于提高保温效果，厚度可控制在500~2000nm。

作为炉壁3的一种改进方式，炉壁3内设置有若干隔流挡板，用于对流通中的冷却介质提供阻力，可避免新的冷却介质流入的过快而影响炉内的温度平衡，其中，隔流挡板的结构形式灵活性较大，因在炉壁3内壁，对气体的流通并无影响，只需保证设置的相对均匀性即可，其中，环形或者间断分布的板体均可。

一种采用如上所述的还原炉保温结构的多晶硅还原炉，还包括保温端板，分别用于还原炉保温结构顶部和底部的封堵，保温端板包括：

内层板7，设置有至少两个第一贯通孔71，且围绕第一贯通孔71沿垂直板面的方向引出有第一导管72；外层板8，与第一贯通孔71一一对应设置有第二贯通孔81，且围绕第二贯通孔81沿垂直板面的方向引出有第二导管82；环状板体9，对平行设置的内层板7和外层板8进行连接，形成腔体结构101；其中，第一导管72套设于第二导管82内，且与第二导管82间形成联通腔体结构101的流通通道10，第一导管72一部分联通反应区4，另一部分联通缓冲区6。

如图1、2、5、6和7~14所示，在上述保温结构的基础上，本发明中提供了一种能够使得多晶硅还原炉内，因硅棒通电加热而产生的热量得以阻隔及再利用的保温端板，具体地，第一贯通孔71中需要对应分配进气口和出气口，同样地，第二贯通孔81中也需要对应分配有进口和出口，而为了进行更好的热传导，需要保证第一贯通孔71和第二贯通孔81的进出口对应关系是相反的。

在工作的过程中，还原炉内所需的高纯的三氯氢硅和高纯的氢气通过与缓冲区6对应的第一导管72进入还原炉内，且经过与反应区4对应的第一导管72自反应区4流出，而用于冷却的流体分别通过第二导管82和第一导管72之间的流通通道10进入及离开腔体结构101，其中，用于冷却的流体可以为气体或液体，均在本发明的保护范围内，在以下实施例中，以流体为冷却水为例进行说明。

内层板7位于相对于还原炉的内侧，因此可与还原炉内进行充分的热交换，并将热量传导至腔体结构101内；自第一导管72流出的还原炉内的高温气体也会向与其反方向流通的冷却水进行热交换，从而使得进入的冷却水温度提升。

本发明中并不将此部分热量全部因腔体结构101内冷却水的流出而浪费，而是对其进行了再利用，一方面，通过被加热的冷却水对自第一导管72流入的气体进行预加热，此种预加热的方式有效的提高了进入还原炉内的气体温度，有效的避免了气体进入后可能造成的反应区4温度场的平衡；另一方面，被加热后的冷却水还可作为还原炉炉壁3部分的冷却，同样可实现冷却温度与炉内温度的相对平缓过度，从而避免对炉内温度场的破坏。

在应用时，本发明中的保温端板分别应用于还原炉的顶部和底部，保温面积大，能量回收效率高，且可使得还原炉内获得较为均匀的温度场，在降低能耗的同时还有效的保证了多晶硅产品的质量。

作为上述实施例的优选，均流板1、缓冲板2、炉壁3和保温端板均为不锈钢结构，从而减少材质对最终多晶硅产品所造成的污染。

为了形成较为集中的高温气体流通区域，仅一根第一导管72联通反应区4，且设置于保温端板的中心位置，冷却介质围绕第一导管72进入腔体结构101。

此根第一导管72供气体自还原炉内流出，形成高温气体的集中流通区域，冷却介质围绕此第一导管72进入腔体结构101，可获得最高效率的热交换，冷却介质进入后沿径向向四周分散，可以较高的温度到达供原料气体进入的第一导管72周围，从而可以较高的效率对原料气体进行预热，从而降低对还原炉内温度场的冲击。

一种如上述所述的多晶硅还原炉的工作方法，包括以下步骤：

自与缓冲区6联通的第一导管72向缓冲区6供给原料气体，令原料气体分别自缓冲区6、均流区5而进入反应区4，且反应后自与反应区4联通的第一导管72流出；

此步骤中，能够实现的有益效果如上所述，此处不再赘述。

在工作的过程中，可通过喷嘴结构供原料气体进入缓冲区6，使得原料气体通过相对高的集中性及较大的速度进入到缓冲区6之内，延长在缓冲区6内的直线流通距离对于后续较为均匀的进入均流区5更加有利，同时可以实现更加均匀的热交换，形成完整的热量阻隔，而避免因局部气体浓度过小而造成的热量分布不均。

出于同样的技术目的，当气体量一定时，可适当的增大第二孔位21的设置密度，且降低其流通面积，从而提高原料气体进入均流区5的冲击性，此种方式对于热量的阻隔效果以及热交换的效果均更优，同时，对于进入均流区5的气体流通方向具有校正的作用，使得各个方向的气体均更好的获得沿还原炉径向流通的趋势，从而在进入反应区4时，降低物相扰动；而针对第一孔位11，则优选适当增大其流通面积，从而降低气体进入反应区4内的速度，从而保证反应区4内的稳定性。

多晶硅还原炉的工作方法还包括以下步骤：

自围绕与反应区4联通的第一导管72设置的流通通道10，向腔体结构101内供给冷却介质，且冷却介质自其余流通通道10流出；将来自腔体结构101的冷却介质自入口34供给至环形腔体33，且自出口35流出。

从而实现热量的二次利用，也便于回收，具体的有益效果此处不再赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种还原炉保温结构，其特征在于，从内至外依次包括：均流板、缓冲板和炉壁；所述均流板包括若干均匀分布的第一孔位，且内部围设成反应区；所述缓冲板包括若干均匀分布的第二孔位，且与所述均流板之间形成均流区；所述炉壁包括内壁和外壁，二者间形成供冷却介质流通的环形腔体，所述环形腔体一侧底部设置有入口，另一侧顶部设置有出口，所述内壁与所述缓冲板之间形成缓冲区；其中，原料气体自所述缓冲区流入还原炉内，且自所述反应区流出所述还原炉；

在还原炉工作的过程中，原料气体首先到达缓冲区，随后经过第二孔位后进入均流区，在均流区获得均匀的分散后，采用侧向进气，经第一孔位进入反应区；来自第二孔位的气体对均流区内持续的进行冲击，使得热量向缓冲区流通的趋势受阻；

所述第一孔位和第二孔位错位设置；所述炉壁内设置有若干隔流挡板，用于对流通中的冷却介质提供阻力。

2.根据权利要求1所述的还原炉保温结构，其特征在于，所述均流板、缓冲板和内壁为两两平行设置的空心圆柱体结构。

3.根据权利要求1或2所述的还原炉保温结构，其特征在于，所述均流区分别位于所述缓冲板和均流板上的侧壁覆盖有二氧化硅气凝胶和二氧化硅微米球形成的复合结构层。

4.一种采用如权利要求1所述的还原炉保温结构的多晶硅还原炉，其特征在于，还包括保温端板，分别用于所述还原炉保温结构顶部和底部的封堵，所述保温端板包括：内层板，设置有至少两个第一贯通孔，且围绕所述第一贯通孔沿垂直板面的方向引出有第一导管；外层板，与所述第一贯通孔一一对应设置有第二贯通孔，且围绕所述第二贯通孔沿垂直板面的方向引出有第二导管；环状板体，对平行设置的所述内层板和外层板进行连接，形成腔体结构；其中，所述第一导管套设于所述第二导管内，且与所述第二导管间形成联通所述腔体结构的流通通道，所述第一导管一部分联通所述反应区，另一部分联通所述缓冲区。

5.根据权利要求4所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述均流板、缓冲板、炉壁和保温端板均为不锈钢结构。

6.根据权利要求4所述的多晶硅还原炉，其特征在于，仅一根所述第一导管联通所述反应区，且设置于所述保温端板的中心位置，冷却介质围绕一根所述第一导管进入所述腔体结构。

7.一种如权利要求4所述的多晶硅还原炉的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：自与所述缓冲区联通的所述第一导管向所述缓冲区供给原料气体，令所述原料气体分别自所述缓冲区、均流区而进入所述反应区，且反应后自与所述反应区联通的第一导管流出。

8.根据权利要求7所述的多晶硅还原炉的工作方法，其特征在于，还包括以下步骤：自围绕与所述反应区联通的第一导管设置的流通通道，向所述腔体结构内供给冷却介质，且所述冷却介质自其余流通通道流出；将来自所述腔体结构的冷却介质自所述入口供给至所述环形腔体，且自所述出口流出。

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