CN202246093U - 节能型多晶硅还原炉 - Google Patents

Abstract

一种节能型多晶硅还原炉，它包括支座（1）、带水夹套双管板（7）和由炉筒内壁（14）及炉筒外壁（16）组成的炉体，其特征是所述的炉筒内壁（14）上设有热反射涂层（17），在炉筒内壁（14）与炉筒外壁（16）之间安装有螺旋支撑板（19），炉筒外壁（16）下部设有冷却水进口（22），冷却水在炉筒内壁（14）与炉筒外壁（16）之间沿螺旋上升至炉体顶部的水汽出口（18）排出炉体外；所述的带水夹套双管板（7）中设有多圈电极套（12），电极（5）穿装在电极套（12）中，所述的带水夹套双管板（7）的内腔与进水及分配管（3）相连通；在所述的带水夹套双管板（7）的表面设有多圈原料气喷嘴（21），在带水夹套双管板（7）的中心连接有与炉体内腔相通的尾气排气管（26）和冷却水排水管（25）。本实用新型炉内温度均匀性好，节能效果显著。

Description

节能型多晶硅还原炉

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能新材料硅棒制造设备，尤其是一种多晶硅还原炉，具体地说是一种大规格节能型多晶硅还原炉。

背景技术

 目前，在世界原油价格居高不下的严峻情况下，节约能源、提高能量利用效率引起世界各国高度重视。此外，由于人类所需能源目前主要依赖石油、煤炭等，热电和工业生产排放大量CO₂，全球气候变暖明显。能源危机与生态环境恶化成为人类文明发展的瓶颈。我国快速发展的经济和人民生活水平不断提高，能源需求大幅度增加，碳排放量与日剧增。太阳能、风能、水能、核能等新能源日益受到各国关注，发展迅速。多晶硅是利用太阳能发电的光伏电池的重要材料，市场需求量巨大。特别是中国最近五年多晶硅行业发展迅猛，太阳能级多晶硅产量在亚洲第一。但是单位能耗平均水平与国外先进水平仍有较大差距。降低能耗和成本是多晶硅生产商对关键设备多晶硅还原炉的迫切要求。

太阳能级硅（SOG）和电子级硅（EOG）纯度要求非常高，要应用化学方法把冶金级硅（工业硅）转换成硅烷，主要是三氯硅烷（SiHCl3）和单硅烷（SiH4）），通过精馏对硅烷提纯，然后再把高纯度的硅烷气体通过化学气相沉积（CVD）的方法转化为超纯多晶硅。目前世界上生产制造多晶硅的SiHCl3的氢还原反应器大多是钟罩型西门子反应器，也被称作西门子还原炉。

1955年，西门子公司成功开发了在钟罩型反应器内利用氢气还原三氯硅烷（SiHCl3）在细硅芯发热体上气相沉积硅的工艺技术，并于1957年开始了工业规模的生产，这就是通常所说的西门子法。在西门子法工艺的基础上，通过增加还原尾气干法回收系统、SiCl4氢化工艺，把SiHCl3还原反应副产物SiCl4转换成SiHCl3循环使用，实现了闭路循环，于是形成了改良西门子法——闭环式SiHCl3氢还原法。改良西门子法包括五个主要环节：SiHCl3合成、SiHCl3精馏提纯、SiHCl3的氢还原、尾气的回收和SiCl4的氢化分离。该方法通过采用大型还原炉，降低了单位产品的能耗。通过采用SiCl4氢化和尾气干法回收工艺，明显降低了原辅材料的消耗。

多晶硅还原炉是多晶硅生产中的关键设备，还原炉的设计和操作直接影响着能耗和成本。多晶硅还原炉主要有石英钟罩型和金属钟罩型两种。石英钟罩型反应器的内壁是石英钟罩，在还原反应之前用红外灯透过石英罩加热细硅棒到硅棒导电加热启动温度。由于石英耐压能力差，一般在常压下进行反应。金属钟罩型允许加压操作，增加沉积速率。目前国内基本以金属钟罩型气相沉积反应器为主。

当导电硅芯预热到约1100℃温度后，高纯度的三氯氢硅与氢气按一定比例混合后，在一定的温度和压力下通入多晶硅还原炉内，在直径5～10mm、长约2米的导电硅芯上开始还原反应沉积生成多晶硅。原料气在反应器内的停留时间一般为5-20s，三氯氢硅在575℃时开始分解，还原反应温度控制在1100℃左右，150小时左右生成直径150～200mm的棒状多晶硅，同时生成四氯化硅、氯化氢等副产物。反应停止后，惰性气体吹扫，冷却后打开钟罩，卸下硅棒。还原炉的辅助设施包括冷却系统和硅棒拆卸系统。

    在1100℃时，硅棒表面主要反应为

SiHCl3↑＋H2↑＝Si＋3HCl↑                  (1)

由于还原炉内温度不均匀，同时还存在其他反应，四氯化硅是主要副产物：

SiHCl3↑＋HCl↑＝SiCl4＋H2↑                (2)

同时可发生三氯氢硅的热分解和四氯化硅的二次还原反应。

三氯氢硅还原反应是吸热反应，反应主要发生在高温的硅棒表面，所以要维持硅棒表面1100℃，超过1200℃时盐酸就会腐蚀硅，使产量减少。硅的熔点是1410℃，这是硅棒内部的极限温度，否则硅棒会倾倒。还原炉的金属壁面需适当冷却，温度要保持在500℃以内，防止硅在金属壁面发生沉积。在金属壁面发生沉积会减少产量，也会增加辐射热吸收造成高能耗，而且硅会与金属发生反应，从金属表面掉下的碎屑会污染硅棒。

    由多晶硅在还原炉生长过程可知，能耗主要发生在高温硅棒对低温炉壁面和底盘的辐射损失。提高单炉的生产规模和减少辐射损失可以明显降低单位能耗。24对棒还原炉比12对棒还原炉能耗可降低20%。最近美国的GT Solar, Inc.在还原炉中使用涂层技术来提高壁面反射能力，减少硅棒辐射热损失，使炉内温度更均匀，每公斤多晶硅电耗达到50度。目前国内最先进单位能耗水平为 60度电，平均单位能耗水平为 90度电，节能潜力很大。所以开发大型节能还原炉是多晶硅生产的趋势。

发明内容

本实用新型的目的是针对目前的多晶硅还原炉存在的单炉产量小、能耗高的问题，设计一种大规格节能型多晶硅还原炉。

本实用新型的技术方案是：

一种节能型多晶硅还原炉，它包括支座1、带水夹套双管板7和由炉筒内壁14及炉筒外壁16组成的炉体，其特征是所述的炉筒内壁14上设有纳米级热反射涂层17，在炉筒内壁14与炉筒外壁16之间安装有螺旋支撑板19，炉筒外壁16下部设有冷却水进口22，冷却水在炉筒内壁14与炉筒外壁16之间沿螺旋上升至炉体顶部的水汽出口18排出炉体外；所述的带水夹套双管板7中设有多圈电极套12，电极5穿装在电极套12中，电极5的上端伸入炉体中用于插装硅芯棒15，电极5的下端安装有冷却水套，冷却水套的进水口4通过管道与冷却水源相连，冷却水套的出水口6通过管道与排水口相连；所述的带水夹套双管板7的内腔与进水及分配管3相连通；在所述的带水夹套双管板7的表面设有多圈原料气喷嘴21，在双管板7下方安装有进气环管及分配管2，原料气喷嘴21安装在进气环管及分配管2中的分配管的上端，该分配管的上端穿过带水夹套双管板7内部的水路与炉体内腔相通；在带水夹套双管板7的中心连接有与炉体内腔相通的尾气排气管26，尾气排气管26套装在冷却水排水管25中，冷却水排水管25的进水端与带水夹套双管板7内腔相通以便将内腔中的冷却水排出。

所述的炉体沿内壁或外壁设置冷却水夹套，即在炉筒内壁14与炉筒外壁16之间有螺旋支撑板的19冷却水夹套，炉筒法兰带有内冷却水夹套23，双管板7之间有径向折流板28和周向折流板27的形成的冷却水夹套，这些措施避免了夹套和管板及管板上电极座的过热，而且避免了水汽流动的冲击而发生振动、摇晃。

所述的炉筒内壁14上设有纳米级热反射涂层17，纳米级热反射涂层17厚度为50-200μm,且涂层表面粗糙度小于0.2μm，材料为Cr及其合金、Ni及其合金、Ti及其合金、Ag及其合金、Au及其合金或氮化合金，增加了耐冲刷和提高热反射。

所述的带水夹套双管板7的管板顶部连接有排气管24，避免了气蚀和过热。

所述的带水夹套双管板7的内壁设有纳米级强化传热元件9，避免了气蚀和过热。

所述的管板纳米级强化传热元件9为在带水夹套双管板7上管板内壁上形成的散热片、凸凹结构、菱形或凹槽、肋片、环形槽或径向槽；纳米级强化传热元件9的布置为低翅密排，即翅高小于1mm,宽度小于1mm。

所述的带水夹套双管板7中设有径向折流板28和与径向折流板28相连的周向折流板27。

所述的径向折流板28的数量至少为4个，每个与径向折流板28至少连接有两个周向折流板27，径向折流板28和周向折流板27带有弧形过渡段。

所述的炉体沿外壁设置多个观察视镜11和测温孔20，观察视镜11和测温孔20设有冷却水和膨胀节13。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型还原炉内壁经特殊处理，炉内壁涂层增强反射处理，降低黑度系数，使用寿命长。对还原炉内壁进行特殊处理，在不锈钢表面形成高反射率涂层，减少辐射热量损失。即炉筒内壁上设镀、涂纳米级热反射涂层，纳米级热反射涂层厚度为50-200um,且涂层表面粗糙度小于0.2um，材料为Cr及其合金、Ni及其合金、Ti及其合金、Ag及其合金、Au及其合金、氮化合金等。若内壁涂层发射率0.01～0.03，硅棒温度1100℃，比传统的无涂层的不锈钢内壁节能30%，每公斤多晶硅电耗低于45度。

2、本实用新型通过沿炉体整个表面，内壁或外壁设置冷却水夹套，即在炉筒内壁与炉筒外壁之间有螺旋支撑板的冷却水夹套，炉筒法兰带有内冷却水夹套，双管板之间有径向折流板和周向折流板的冷却水夹套。其效果是降低炉筒金属壁面温度，减少原料反应结垢，提高硅棒生产率，并且延长使用寿命。

3、本实用新型的底盘面积较大，能有效防止热应力变形，在底盘与冷却水接触面上加工出菱形或凹槽、肋片、环形槽、径向槽等强化传热体，强化传热体的布置为低翅密排，即翅高小于1mm,宽度小于1mm，不影响底盘的结构和强度。同时通过折流板的作用使得散热更加均匀快速，避免了电极和底盘的过热而引起事故。

4、电极合理布置，均匀布置。即每一个电控制区的电极数相等，且可控调节。有密封、快开连接等等组件，拆卸方便高效，可阻止流体往壳体外泄露。

5、节能效果好，比传统的无涂层的不锈钢内壁节能30%以上，每公斤多晶硅电耗低于45度。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构示意图。

图3是图1的B-B剖视结构示意图。

图中：1为支座，2为进气环管及分配管，3为进水及分配管，4为为电极冷却水进口，5为电极，6为冷却水出口，7为带水夹套双管板，8为密封垫，9为管板强化传热元件，10为坚固连接件，11为视镜，12为电极套，13为膨胀节，14为炉筒内壁，15为硅棒，16为炉筒外壁，17为涂层，18为水汽出口，19为螺旋支撑板，20为测温孔，21为原料气喷嘴，22为冷却水进口，23为冷却水夹套，24为水汽排气口，25为冷却水出口管，26为尾气排气管，27为周向折流板，28为径向折流板，33为接管法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

    如图1-3所示。

一种大型节能型多晶硅还原炉，它包括支座1、带水夹套双管板7和由炉筒内壁14及炉筒外壁16组成的炉体，炉体的直径至少为3米，如图1所示，所述的炉筒内壁14上设有热反射涂层17，在炉筒内壁14与炉筒外壁16之间安装有螺旋支撑板19，炉筒外壁16下部设有冷却水进口22，冷却水在炉筒内壁14与炉筒外壁16之间沿螺旋上升至炉体顶部的水汽出口18排出炉体外；所述的带水夹套双管板7中设有多圈电极套12，如图2所示，共有四圈，分别排列有8、16、32、64个电极套12，电极5穿装在电极套12中，电极5的上端伸入炉体中用于插装硅芯棒15，电极5的下端安装有冷却水套，冷却水套的进水口4通过管道与冷却水源相连，冷却水套的出水口6通过管道与排水口相连；所述的带水夹套双管板7的内腔与进水及分配管3相连通；在所述的带水夹套双管板7的表面设有多圈原料气喷嘴21（共三圈24个喷嘴），在支座1上安装有进气环管及分配管2，原料气喷嘴21安装在进气环管及分配管2中的分配管的上端，该分配管的上端穿过带水夹套双管板7内部的水路与炉体内腔相通；在带水夹套双管板7的中心连接有与炉体内腔相通的尾气排气管26，尾气排气管26套装在冷却水排水管25中，冷却水排水管25的进水端与带水夹套双管板7内腔相通以便将内腔中的冷却水排出。带水夹套双管板7还连接有水汽排气管24。所述的带水夹套双管板7的内壁设有管板强化传热元件9。所述的管板强化传热元件9为凸起在带水夹套双管板7内壁的散热片、凸凹结构、菱形或凹槽、肋片、环形槽或径向槽。所述的带水夹套双管板7中设有径向折流板28和与径向折流板28相连的周向折流板27，如图3所示，所述的径向折流板28的数量至少为4个，每个与径向折流板28至少连接有两个周向折流板27。

本实用新型实施例的金属钟罩型多晶硅还原炉主要由底盘（即带水夹套双管板7，下同）、含夹套冷却水的钟罩式双层炉体、电极5、视镜孔、混和气进气管、混和气尾气出气管、炉体冷却水进水管、炉体冷却水出水管、底盘冷却水进水管、底盘冷却水出水管、电极冷却水进水管、电极冷却水出水管及其他附属部件组成，每对电极分正负极均匀的设置在底盘上，混和气进气管分为数个喷口均匀的设置在底盘上，混合气出气口设在底盘中心位置。

  当导电硅芯预热到约1100℃温度后，高纯度的三氯氢硅与氢气按一定比例混合后，在一定的温度和压力下通入多晶硅还原炉内，在直径5～10mm、长约2米的导电硅芯上开始还原反应沉积生成多晶硅。原料气在反应器内的停留时间一般为5-20s，三氯氢硅在575℃时开始分解，还原反应温度控制在1100℃左右，100小时左右生成直径120～160mm的棒状多晶硅，同时生成四氯化硅、氯化氢等副产物。反应停止后，惰性气体吹扫，冷却后打开钟罩，卸下硅棒。还原炉的辅助设施包括冷却系统和硅棒拆卸系统。由多晶硅在还原炉生长过程可知，能耗主要发生在高温硅棒对低温炉壁面和底盘的辐射损失。提高单炉的生产规模和减少辐射损失可以明显降低单位能耗。在还原炉中使用涂层技术来提高壁面反射能力，减少硅棒辐射热损失，使炉内温度更均匀。若涂层内壁发射率0.01～0.03，硅棒温度1100℃，比传统的无涂层的不锈钢内壁节能20-30%，每公斤多晶硅电耗低于45度。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种节能型多晶硅还原炉，它包括支座（1）、带水夹套双管板（7）和由炉筒内壁（14）及炉筒外壁（16）组成的炉体，其特征是所述的炉筒内壁（14）上设有纳米级热反射涂层（17），在炉筒内壁（14）与炉筒外壁（16）之间安装有螺旋支撑板（19），炉筒外壁（16）下部设有冷却水进口（22），冷却水在炉筒内壁（14）与炉筒外壁（16）之间沿螺旋上升至炉体顶部的水汽出口（18）排出炉体外；所述的带水夹套双管板（7）中设有多圈电极套（12），电极（5）穿装在电极套（12）中，电极（5）的上端伸入炉体中用于插装硅芯棒（15），电极（5）的下端安装有冷却水套，冷却水套的进水口（4）通过管道与冷却水源相连，冷却水套的出水口（6）通过管道与排水口相连；所述的带水夹套双管板（7）的内腔与进水及分配管（3）相连通；在所述的带水夹套双管板（7）的表面设有多圈原料气喷嘴（21），在双管板（7）下方安装有进气环管及分配管（2），原料气喷嘴（21）安装在进气环管及分配管（2）中的分配管的上端，该分配管的上端穿过带水夹套双管板（7）内部的水路与炉体内腔相通；在带水夹套双管板（7）的中心连接有与炉体内腔相通的尾气排气管（26），尾气排气管（26）套装在冷却水排水管（25）中，冷却水排水管（25）的进水端与带水夹套双管板（7）内腔相通以便将内腔中的冷却水排出。

2.根据权利要求1所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的炉体沿内壁或外壁设置冷却水夹套，即在炉筒内壁（14）与炉筒外壁（16）之间有螺旋支撑板的（19）冷却水夹套，炉筒法兰带有内冷却水夹套（23），双管板（7）之间有径向折流板（28）和周向折流板（27）形成的冷却水夹套。

3.根据权利要求1所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的炉筒内壁（14）上设有纳米级热反射涂层（17），纳米级热反射涂层（17）厚度为50-200μm,且涂层表面粗糙度小于0.2μm。

4.根据权利要求1所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的带水夹套双管板（7）的管板顶部连接有排气管（24）。

5.根据权利要求1所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的带水夹套双管板（7）的内壁设有纳米级强化传热元件（9）。

6.根据权利要求5所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的管板纳米级强化传热元件（9）为在带水夹套双管板（7）上管板内壁上形成的散热片、凸凹结构、菱形或凹槽、肋片、环形槽或径向槽；纳米级强化传热元件（9）的布置为低翅密排，即翅高小于1mm,宽度小于1mm。

7.根据权利要求1所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的带水夹套双管板（7）中设有径向折流板（28）和与径向折流板（28）相连的周向折流板（27）。

8.根据权利要求7所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的径向折流板（28）的数量至少为4个，每个与径向折流板（28）至少连接有两个周向折流板（27），径向折流板（28）和周向折流板（27）带有弧形过渡段。

9.根据权利要求1所述的节能型多晶硅还原炉，其特征是所述的炉体沿外壁设置多个观察视镜（11）和测温孔（20），观察视镜（11）和测温孔（20）设有冷却水和膨胀节（13）。

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