CN201598181U - 等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，它包括流化床反应器、气体进料装置、等离子体发生装置、气体混合器、产品分选装置、进料预热器和籽晶加料装置；流化床反应器底部依次连接气体进料装置和等离子体发生装置；进料预热器通过流量调节阀分别与气体进料装置和气体混合器相连；气体混合器与等离子体发生装置相连；流化床反应器下部与产品分选装置相连；流化床反应器顶部与籽晶加料装置相连。采用本实用新型的装置系统生产粒状多晶硅，实现了常压连续操作，反应温度较低，沉积速率高，多晶硅单程收率高，同时还能够以较低的单位电耗及操作成本对现有多晶硅生产工艺中的副产物进行直接利用并生产出高纯粒状多晶硅。

Description

等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置

技术领域

本实用新型涉及一种生产多晶硅的装置，更具体地说涉及一种等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置。

背景技术

目前，绝大多数的多晶硅生产方法是改良西门子工艺，主要使用钟罩型反应器和与电极相连的8mm左右的硅芯作为沉积基底，采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl₃在H₂气氛中还原沉积而生成多晶硅。

上述化学气相沉积过程是在钟罩型的还原炉中进行的，该反应容器是密封的，底盘上安装有出料口和进料口以及若干对电极，电极上连接着直径5-10mm、长度1500-3000mm的硅芯，每对电极上的两根硅棒又在另一端通过一较短的硅棒相互连接，对电极上施加6～12kV左右的高压时，硅棒被击穿导电并加热至1000-1150℃发生反应，经氢还原，硅在硅棒的表面沉积，使硅棒的直径逐渐增大，最终达到120-200mm左右。通常情况下，生产直径为120-200mm的高纯硅棒，所需的反应时间大约为150-300小时。

然而，这种改良西门子生产工艺存在以下缺点：1)由于硅棒沉积比表面积小，反应器内空间利用率低，原料一次转化率低，产量受到限制。以实收率为8％计算，每千克三氯氢硅只能得到16.5克单质硅，大部分三氯氢硅在沉积过程中转换为四氯化硅，副产物四氯化硅经过分离后，又重新合成三氯氢硅作为原材料，这样的循环过程耗能耗电，效率低下。2)氯硅烷裂解过程产生的尾气成分复杂，分离成本高。3)由于采用钟罩型反应器，在硅棒长大一定尺寸(如100-200mm)后必须使反应器降温，取出产品。因此只能间歇生产，热量损失大，能耗高。4)由于产品为棒状多晶硅，增加了破碎、包装的工序和成本，还可能会带入新的杂质。

为克服西门子工艺的缺点，能耗更低的流化床多晶硅生产工艺被开发出来。中国专利申请CN101318654公开了一种流化床制备高纯度多晶硅颗粒的方法及流化床反应器，其特征在于加热区和反应区在结构上相互隔开，在反应器的加热区，通入不含硅流化气体使加热区的多晶硅颗粒处于流化状态，并通过加热装置将多晶硅颗粒加热至1000～1410℃；加热后的多晶硅颗粒输送到反应区，在反应区通入含硅气体，含硅气体在多晶硅颗粒表面发生热分解或还原，产生单质硅并沉积在颗粒表面；在反应器下部将部分粒径为0.1～10mm的多晶硅颗粒作为产品取出；在反应区上部，加入作为晶种的直径为0.01～1.0mm的多晶硅细颗粒以维持反应器内多晶硅颗粒的量。该发明技术具有反应器连续操作且运行周期长、能耗低等优点。

但普通流化床工艺的本质只是改进了反应器空间利用率，增加了沉积基底的空间比表面积，从而得到了更快的沉积速率，同时降低了副反应的发生，并未改变原料的反应方式。

中国专利申请CN101239723公开了一种多晶硅的等离子生产方法与装置，其特征为将作为原料的硅烷或卤代硅烷气体与氢气经预热后通入温度为1450～1550℃的等离子转换室，混合物在瞬间被加热到等离子状态，在冷却过程中生成硅单体的液体或细粉末和气体副产物，液体硅单体经液态硅流出口流出，硅单体细粉末和气体副产物进入尾气分离室进行分离，分离出的气体副产品进入尾气储存罐。该发明具有建设投资费用低，生产费用只有现有技术的五分之一，生产效率高，产生的尾气可以供工业和民用进一步利用，不需特别的环保处理，适合于各种规模生产线要求的有益效果。

这种等离子生产方法改变了原料气体的反应方式，由于等离子体的引入，大大提高了氢的还原活性，使还原和沉积速率提升，并同时抑制了副产物四氯化硅的产生。但采用这种方法，由于体系内没有晶核，多晶硅的生成需要较高的能量。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，该装置综合了等离子生产方法和流化床反应方法的优点，可连续、高效、低能耗的制备粒状多晶硅。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，它包括流化床反应器、气体进料装置、等离子体发生装置、气体混合器、产品分选装置、进料预热器和籽晶加料装置；流化床反应器底部依次连接气体进料装置和等离子体发生装置；进料预热器通过流量调节阀分别与气体进料装置和气体混合器相连；气体混合器与等离子体发生装置相连；流化床反应器下部与产品分选装置相连；流化床反应器顶部与籽晶加料装置相连。

其中，所述等离子体发生装置为感应耦合等离子体发生装置或热灯丝等离子体发生装置。优选地使用感应耦合等离子体发生装置。

其中，产品分选装置与籽晶加料装置相连。经分选，粒径未达到标准的颗粒重新由籽晶进料口进入流化床反应器再次进行沉积。

其中，上述等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置还包括旋风分离器，旋风分离器与流化床反应器顶部相连，旋风分离器同时与籽晶加料装置相连，旋风分离器的气体出口与进料预热器相连，供与进料气体热交换。流化床反应器产生的尾气由顶部尾气出口排出，进入旋风分离器进行气固分离，分离下来的固体颗粒送至籽晶加料装置并返回流化床反应器中循环利用，分离出来的气体经过进料预热器预热原料气后进入后续尾气处理工序。

其中，所述的流化床反应器具有双层或多层材质结构并带有保温内壁，保温内壁的材质由石墨、石英、高纯硅、碳化硅以及氮化硅中的任意一种或多种组成。流化床反应器顶部设有一个籽晶加料口和一个尾气出料口。籽晶加料口带有可实现自动控制的加料阀门，新鲜籽晶通过籽晶加料装置由籽晶加料口向流化床反应器内连续或间歇性加料。流化床反应器底部采用锥形筒设计，且锥形筒结构的顶端附近设置有若干粒状硅产品出料口，出料口为贴近内壁面的槽型结构，产品粒状硅可由出料口连续或间歇地从流化床反应器中取出。

其中，所述的气体进料装置具有与流化床反应器相同的内壁材质，气体进料装置连接流化床反应器底部入口与等离子体发生装置顶部出口，气体进料装置顶部具有轴向的等离子体进料口，可向流化床反应器内输入等离子体，气体进料装置侧面径向分布有气体进料管，通过气体进料管可向流化床反应器内输入预热后的原料气。所述的气体进料管与气体进料装置的轴向形成夹角或者垂直。所述的气体进料管数量不少于2个，优选为4个，每相对的2个进料管为一组，具有相同水平位置的进料口。通过气体进料装置可实现反应原料分别由轴向和径向进料，通入流化床反应器中。

其中，所述流化床反应器的外壳与保温内壁之间全部或部分附加水冷夹套结构。所述气体进料装置的外壳与保温内壁之间全部或部分附加水冷夹套结构。

有益效果：采用本实用新型所述的装置生产多晶硅，与现有技术相比，具有以下优点：1)显著降低了反应温度，缩短了反应沉积时间，提高了多晶硅单程收率，极大地降低了能耗，并实现了常压连续性操作；2)通过等离子体的引入省去了反应器内的加热装置；综合两者，显著的降低了生产成本并提高了安全性。

附图说明

图1是本实用新型的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置示意图。其中，1、流化床反应器；2、气体进料装置；3、等离子体发生装置；4、气体混合器；5、产品分选装置；6、进料预热器；7、籽晶加料装置；8、旋风分离器；9、流量调节阀；10、新鲜籽晶；11、氢气；12、辅助气体；13、原料气；14、尾气；15、产品粒状硅。

图2是流化床反应器下部锥形筒的结构示意图。其中，101、FBR进料口；102、附加进气口；103、槽型出料口；104、金属壳体；105、流态化气体喷口；106、FBR内壁保温层；107、水冷夹套。

图3是图2所示流化床反应器下部锥形筒的俯视图。其中，103、槽型出料口；104、金属壳体；105、流态化气体喷口；106、FBR内壁保温层；107、水冷夹套。

图4是气体进料装置的结构示意图。其中，201、等离子体进料口；202、原料气体进料管。

具体实施方式

以下通过具体的实施例并结合附图对本实用新型中的装置进行详细说明，但这些实施例仅仅是例示的目的，并不旨在对本发明的范围进行任何限定。

实施例1：

参见图1，图1是本实用新型的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置优选例的示意图。它包括流化床反应器1、气体进料装置2、等离子体发生装置3、气体混合器4、产品分选装置5、进料预热器6、籽晶加料装置7和旋风分离器8。

流化床反应器1底部依次连接气体进料装置2和等离子体发生装置3。

进料预热器6通过流量调节阀9分别与气体进料装置2和气体混合器4相连，气体混合器4与等离子体发生装置3相连。通过调节流量调节阀9，可使原料气13(硅烷或卤代硅烷)经进料预热器6预热后全部进入气体混合器4，与氢气11和/或辅助气体12(氦气、氖气、氩气、氪气等)混合进入等离子体发生装置3转换为等离子体再进入流化床反应器1。或者，通过调节流量调节阀9，使原料气13(硅烷或卤代硅烷)经进料预热器6预热后部分进入气体混合器4，与氢气11和/或辅助气体12(氦气、氖气、氩气、氪气等)混合进入等离子体发生装置3转换为等离子体再进入流化床反应器1，剩余部分原料气13(硅烷或卤代硅烷)不转换为等离子体直接进入流化床反应器1。或者，通过调节流量调节阀9，使原料气13(硅烷或卤代硅烷)经进料预热器6预热后全部不转换为等离子体直接进入流化床反应器1，与经过等离子体反应的与氢气11和/或辅助气体12(氦气、氖气、氩气、氪气等)在流化床反应器1内混合、反应、沉积。

流化床反应器1顶部与籽晶加料装置7相连，流化床反应器1下部与产品分选装置5相连，产品分选装置5与籽晶加料装置7相连。经分选，粒径未达到标准的颗粒返回籽晶加料装置7重新由籽晶进料口进入流化床反应器1内再次进行沉积。

旋风分离器8与流化床反应器1顶部相连，旋风分离器8同时与籽晶加料装置7相连，旋风分离器8的气体出口与进料预热器6相连，供与进料气体热交换。流化床反应器1产生的尾气由顶部尾气出口排出，进入旋风分离器8进行气固分离，分离下来的固体颗粒送至籽晶加料装置并返回流化床反应器中循环利用，分离出来的气体经过进料预热器6预热原料气后进入后续尾气处理工序。

流化床反应器1具有保温内壁，顶部设有一个籽晶加料口和一个尾气出料口，籽晶加料口带有可实现自动控制的加料阀门，新鲜籽晶通过籽晶加料装置7由籽晶加料口向流化床反应器1内连续或间歇性加料。流化床反应器1底部采用锥形筒设计，如图2、和图3所示，锥形筒底部为流化床反应器进料口101，进料口101附近设有附加进气口102并与反应器内部的流态化气体喷口105相连通，可加入氢气、氦气、氖气、氩气、氪气等气体以增强流化床反应器内的流态化效果，锥形筒结构的顶端附近设置有若干粒状硅产品出料口103，出料口103为贴近内壁面的槽型结构，产品粒状硅可由槽型出料口103连续或间歇地从流化床反应器1中取出，锥形筒外层为金属壳体104，内层附有内壁保温层106，且部分具有水冷夹套107。

所述的气体进料装置2连接流化床反应器1底部入口与等离子体发生装置3顶部出口，如图4所示，气体进料装置2上部具有轴向的等离子体进料口201，可向流化床反应器1内输入等离子体，气体进料装置2侧面径向均匀分布有4个气体进料管202，通过气体进料管202可向流化床反应器1内输入预热后的原料气，气体进料管202与气体进料装置2的轴向形成夹角，气体进料管202也可与气体进料装置2的轴向垂直设置。

本实用新型装置采用硅烷或卤代硅烷的一种或几种为原料气体，并采用氢气作为还原气体，或另外添加氦气、氖气、氩气及氪气中的一种或几种作为辅助气体，与原料气体混合后利用离子体发生装置转换为等离子体，然后输送到流化床反应器中，等离子化的混合气体反应后在籽晶表面沉积制造粒状多晶硅。

具体工艺流程如下：

原料气体13经过进料预热器6与流化床反应器1中出来的尾气14换热后，通过流量调节阀9可控制全部或部分的原料气体13进入气体混合器4与氢气11和/或辅助气体12充分混合，混合后的反应气体进入等离子发生装置3等离子化，等离子化后的混合气体通过气体进料装置2进入流化床反应器1中，原料气体13也可直接通过气体进料装置2进入流化床反应器1中与等离子化后的氢气11和/或辅助气体12在流化床反应器1中混合反应。且当流化床反应器1温度上升到400～1000℃时，新鲜籽晶10通过籽晶加料装置7从流化床顶部加入流化床反应器1中；反应气体在流化床反应器内反应后沉积在籽晶表面生成粒状多晶硅。高纯硅籽晶不断从流化床反应器顶部加入，产品粒状硅从底部取出，实现连续生产。取出的产品粒状硅15经产品分选装置5分选后，粒径未达到标准的颗粒重新返回籽晶加料装置7，并由流化床反应器1顶部的籽晶进料口进入流化床反应器再次进行气相沉积。反应尾气14从流化床反应器1顶部排出进入旋风分离器8中，经旋风分离器8分离下来的固体颗粒直接送至籽晶加料装置并返回流化床反应器1中循环使用，气固分离后的尾气经进料预热器6与反应原料气体13换热后进入后续的尾气处理工艺。

上述氢气11与原料气体13的体积比为2～5∶1。

在本实用新型装置中，产品颗粒硅15从流化床反应器1下部取出，进入产品分选装置5分选后，粒径较小的颗粒返回籽晶加料装置7继续作为籽晶使用，且反应后尾气14中经旋风分离器8分离下来的固体颗粒也返回籽晶加料装置7中，继续作为籽晶使用，达到了循环使用的目的，提高沉积效率。

在本实用新型装置中，反应尾气14经旋风分离器8气固分离后气相进入进料预热器6，尾气14与原料气体13发生热交换，将原料气体预热到200～300℃，使得能量循环利用，降低了能耗。

上述等离子体发生装置为感应耦合等离子体发生装置。

实施例2：

1)采用的等离子体发生装置频率为40.68MHz、功率为100kW。

2)等离子体发生装置与流化床反应器内的气压为0.95bar。

3)原料气体采用纯四氯化硅，原料气体全部通入气体进料装置，流量7.5m³/h。

4)装置启动时先通入辅助气体(氩气)，流量(10m³/h)，并开启等离子体转化装置，对FBR内进行吹扫和升温，等离子体稳定后逐渐打开氢气调节阀通入氢气，并降低辅助气体的流量，氢气流量最终调节至30m³/h，辅助气体流量最终为3～5m³/h。从FBR顶部加料口加入籽晶，并开始通入原料气体，FBR顶部与底部压差稳定后可开始从出料口取出产品粒状硅。连续稳定生产100小时，总共投入籽晶约100kg，由出料口中得到约260kg产品，总产量约为160kg，单位电耗约为63kWh/kg。尾气经过冷凝，液相中含有三氯甲硅烷约35％。

实施例3：

1)采用的等离子体发生装置频率为40.68MHz、功率为100kW。

2)等离子体发生装置与流化床反应器内的气压为0.95bar。

3)原料气体采用纯三氯甲硅烷，原料气体全部通入气体进料装置，流量10m³/h。

4)氢气流量为30m³/h。连续稳定生产100小时，总共投入籽晶约100kg，由出料口中得到约555kg产品，总产量约为455kg，单位电耗约为22kWh/kg。

上述实施例中，利用等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置系统不但可以利用三氯甲硅烷生产高纯度粒状多晶硅，还可以利用现有技术(西门子还原炉)尾气中的副产物四氯化硅为原料直接生产粒状多晶硅，并且同时将一部分四氯化硅转化为三氯甲硅烷，为解决四氯化硅副产物的瓶颈问题开辟了新的途径；显著降低了多晶硅生产的单位电耗；由传统的间歇生产变为连续生产，极大地缩短了生产周期，使生产率大大提高；且反应温度、压力比现有技术低，无需高压启动，使生产过程更加安全。

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于它包括流化床反应器(1)、气体进料装置(2)、等离子体发生装置(3)、气体混合器(4)、产品分选装置(5)、进料预热器(6)和籽晶加料装置(7)；流化床反应器(1)底部依次连接气体进料装置(2)和等离子体发生装置(3)；进料预热器(6)通过流量调节阀(9)分别与气体进料装置(2)和气体混合器(4)相连；气体混合器(4)与等离子体发生装置(3)相连；流化床反应器(1)下部与产品分选装置(5)相连；流化床反应器(1)顶部与籽晶加料装置(7)相连。

2.根据权利要求1所述的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于产品分选装置(5)与籽晶加料装置(7)相连。

3.根据权利要求1所述的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于它包括旋风分离器(8)，旋风分离器(8)与流化床反应器(1)顶部相连，旋风分离器(8)同时与籽晶加料装置(7)相连，旋风分离器(8)的气体出口与进料预热器(6)相连，供与进料气体热交换。

4.根据权利要求1所述的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于所述的流化床反应器(1)具有保温内壁，外壳为金属材质，顶部设有一个籽晶加料口和一个尾气出料口，底部采用锥形筒设计，且锥形筒结构的顶端附近设置有粒状硅产品出料口。

5.根据权利要求1所述的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于所述的气体进料装置(2)连接流化床反应器(1)底部入口与等离子体发生装置(3)顶部出口，气体进料装置(2)底部具有等离子体进料口，顶部具有轴向的等离子体进料口，气体进料装置(2)侧面径向分布有气体进料管。

6.根据权利要求1或5所述的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于所述的气体进料装置(2)具有保温内壁，气体进料装置(2)外壳为金属材质。

7.根据权利要求5所述的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于所述的气体进料管与气体进料装置(2)的轴向垂直或形成一定夹角。

8.根据权利要求5或7所述的等离子体辅助流化床工艺生产多晶硅的装置，其特征在于所述的气体进料管数量不少于2个。

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