CN205061573U - 制备高纯多晶硅的流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制备高纯多晶硅的新型流化床反应器，属于多晶硅制备领域。该流化床反应器包括上部流化反应室和下部流化冷却室，流化反应室可以设置成一个或多个，流化床外部安装有加热器；下部流化冷却室内安装有冷却组件。每个流化反应室包含分配板和降料管，降料管底部安装有阀门，实现固体颗粒从上部到下部的流动。该流化床能够实现流化反应和冷却产品两种功能，通过将反应生成的大颗粒溢流到下部流化反应室进而实现多次沉积，最终在流化床底部获得目标粒径较大且均一的多晶硅产品；同时反应生成的颗粒硅在下部冷却室被快速地冷却，流化床出口下端不需再设置冷却器，采用本实用新型，能够提高流化床产率，降低设备投资和制造成本。

Description

制备高纯多晶硅的流化床反应器

技术领域

本实用新型涉及高纯多晶硅的制备装置领域，特别涉及流化床法制备高纯多晶颗粒硅的流化床反应器。

背景技术

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原材料，是全球电子及光伏产业的基础。世界上生产高纯多晶硅的较为成熟的工艺有改良西门子法、冶金法和流化床法等。经过多年生产实践，改良西门子法（即在钟罩型还原炉反应器内安装数根硅棒，通过对硅棒进行高温加热，再将三氯氢硅和高纯氢气通入还原炉内，利用氢气将三氯氢硅还原成硅，硅开始在硅棒表面沉积并不断长粗，当其直径达到一定程度后停止加热，并取出产品多晶硅硅棒）生产多晶硅的方法较为成熟，且生产的多晶硅能够满足半导体和太阳能硅电池的需求。一直以来，各企业也都未停止对改良西门子法及其制备装置进行相应的改进和创新，但从整体上来看，仍然存在着无法连续化生产、能耗较高、产能较低等缺陷。

随着国内外多晶硅产业的快速发展，为了克服改良西门子法的固有缺陷，采用流态化的流化床反应器制备多晶硅以替代钟罩型还原炉成为行业内研究和开发的热点，流化床技术及其制备装置越来越受到了国内外企业的关注。流化床技术是美国联碳公司在上世纪80年代研发出的多晶硅制备工艺，该方法以SiCl₄、H₂、HCl和工业硅为原料，在高温高压流化床内（沸腾床）生成SiHCl₃，将SiHCl₃再进一步歧化加氢反应生成SiH₂Cl₂，继而生成硅烷气。制得的硅烷气通入加有小颗粒硅籽晶的流化床反应炉内进行连续热分解反应，生成粒状的多晶硅产品。发展到目前，流化床技术和反应装置也都有了很大的进步。在流化床中，由于采用小颗粒的硅，其在流化床反应中始终处于流化状态，且其比表面积很大，使得原料气和小颗粒硅有很大的接触面积，能够很大的提高原料气的单程转化率。此外，流态化技术较传统多晶硅生产工艺的另一优点是，在籽晶载体不断长大的过程中，可以选择性地将目标粒径的多晶硅颗粒直接装入到收集器中，较传统工艺省去了棒状多晶硅的粉碎、刻蚀、冲洗和干燥等流程，也使得颗粒硅收率显著提高。据报道，与改良西门子工艺相比较，采用流化床技术生产颗粒硅，能耗可降低三分之二，成本可降低一半多，如若选择三氯氢硅和高纯氢气作为原料，氢气的用量也是成倍下降，所以该方法的优点在于生产效率高、电耗低、成本低。因此，流化床技术制备颗粒硅会是未来几十年企业寻求发展突破的大趋势。

然而，流化床反应器生产多晶硅也存在一定的技术难点，一方面，普通流化床工艺在生产多晶硅的过程中会产生粒径极细的硅粉，由于细硅粉的生成，须控制流化床内的进气量，降低细硅粉被尾气夹带之流化床后端管道所造成的危害，这导致产品颗粒硅的平均粒径下降，反应器产率降低；另一方面，由于生产的不确定性和物料供应的不稳定性，即使采取相同的操作工艺也很难保证反应器内的原料气体的流速控制能够稳定均匀，控制不好的情况下，反应器内就容易出现沟流、反应不均等问题，最终将造成多晶硅产品粒径不均一等问题。中国专利CN101316651公开了一种喷动床反应器，其在喷动床中设置了数个喷嘴，目的是使床中的颗粒如何喷流起沫，结构复杂，操作麻烦，并没有说明颗粒硅如何排出以及排出的颗粒大小是如何控制的，国内外涉及控制颗粒硅尺寸的专利也相对较少。

综上所述，为了克服以上的缺陷，发明人经过多次实验，积极探索，努力开发出一种新型结构的流化床反应器，以进一步提高流化床产率，并能够连续地获得粒径均匀的高纯颗粒硅产品。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种制备高纯多晶硅的流化床反应器，利用本实用新型的流化床作为多晶硅颗粒的反应环境,能够集反应和冷却两种功能于同一流化床，可以获得粒度更大且更加均一的大颗粒多晶硅产品，提高了流化床产率，而且反应生成的颗粒硅在流化床内部的下部冷却室经过快速地冷却，流化床下部不需再设冷却器，能够极大地降低设备投资和制造费用。

为实现上述目的和技术效果，本实用新型采用的技术方案如下：

一种制备高纯多晶硅的新型流化床反应器，其壳体上部设置有籽晶加料口，壳体顶部设置有尾气出口，壳体的下部偏上设置有气体分布盘，气体分布盘底部连接原料气进气口和辅助气进气口，壳体外部安装有加热器，壳体最下端设置产品出料口。此外，壳体包括由上自下依次相连的流化反应室、气体分布盘、流化冷却室和产品出料口。

其中，所述的上部流化反应室设置为两个或两个以上，其高度为2-10m，流化反应室包含分配板和降料管，通过分配板隔开。

其中，优选的，所述的上部流化反应室设置成两个。

其中，所述的流化反应室的降料管底部安装有翼阀，可以实现固体颗粒从上到下的流动。

其中，所述的降料管底部的翼阀为自开阀，当下降的力大于阻力时，将自动打开。

其中，进一步优选的，所述的每两个上下相邻流化反应室的降料管保持平行交错设置，以防止下料过快引起降料管堵塞。

其中，所述的降料管内壁涂覆有高硬度涂层，优选地采用碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化钛等材料涂层。

其中，所述的下部流化冷却室高度为3-9m，其内通有氢气，并安装有冷却组件。

其中，所述的冷却组件选自板式冷却器或管式冷却器。

其中，所述的冷却组件表面涂覆有高硬度涂层，优选地采用碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化钛等材料涂层。

其中，所述的气体分布盘设置在与流化冷却室直接相邻的流化反应室的下端位置。

其中，所述的颗粒硅籽晶从流化床顶部的籽晶加料口加入，高纯颗粒硅产品从流化床底部的产品出料口排出，硅烷或卤代硅烷经气体分布盘通入流化反应室。

其中，所述的加热器选自微波加热器、脉冲加热器或电磁感应加热器。

其中，所述的原料气选自硅烷或卤代硅烷，卤代硅烷选自氯代硅烷、溴代硅烷或氟代硅烷中的一种，优选氯代硅烷。

本实用新型流化床壳体内最上部的第一个流化反应室为在籽晶上发生化学气相沉积反应的区域，通过控制原料气的流速，较大粒径的颗粒硅与未达到要求的细颗粒进一步分离，较大粒径的颗粒硅经过流化反应室的降料管输送到其下部的第二流化反应室，进一步沉积生长。随着反应的进行，流化反应室内的硅颗粒不断长大，将从各流化反应室依次逐渐往下沉降，直至足以克服流化反应室气速而直接掉入流化冷却室，进而得以产品收集。

颗粒粒径不同，其最小流化速度也不同，且上部的流化反应室随着反应的进行气体流量加大，故各流化反应室的表观气速应控制在最小流化速度的1.1-1.5倍这一速度范围，以确保能正常流化，减少振动和颗粒逃逸。

本实用新型制备高纯多晶硅颗粒的流化床，不仅在床层结构上与现有技术中的流化床完全不同，而且结构简单、布局合理、操作方便，不会存在现有流化床反应器存在的问题，反应气体控制方便，能保证反应顺利进行，实现连续化生产，所需颗粒硅的粒径大小可以由流化反应室的数量设置及原料气流速来调节控制，能够生产均一的且目标粒径不同的高纯多晶硅产品。

采用本实用新型的流化床制备高纯多晶硅颗粒，与现有技术相比，具有以下优点：能够在一个流化床中实现反应和冷却两种功能，通过将反应生成的大颗粒直接地多次溢流到下部流化反应室进而实现多次沉积，在流化床底部获得目标粒径均一的多晶硅产品，最终，提高了流化床产率，实现了多晶颗粒硅制备的连续化生产。

采用本实用新型的流化床制备高纯多晶硅颗粒，反应生成的颗粒硅在流化床内部的下部冷却室经过快速地冷却，流化床出口下端不需再设冷却器，能够减少高温的多晶硅产品对出料口的磨损，极大地降低了设备投资和制造费用。

采用本实用新型的流化床制备高纯多晶硅颗粒，通过对粒径不符合目标要求的小颗粒进行多次沉降和沉积，进而增大了其粒径尺寸，从而避免了其被尾气夹带到流化床下游管道中，最终解决了硅原料浪费和堵塞管道的问题，可大幅降低生产成本。

附图说明

图1为本实用新型流化床反应器内设置2个流化反应室的结构示意图。

其中，包括壳体1、上部流化反应室2、下部流化冷却室3、籽晶加料口4、尾气出口5、降料管6、分配管7、外部加热器8、气体分布盘9、冷却组件10、产品出料口11以及氢气进气口12。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，但是，必需说明的是，本实用新型的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，具体实施方式中所涉及的具体配比和反应参数及物料选择是为说明本实用新型而列举在本具体实施方式中，并不是对本实用新型的任何限制。

如图1所示，一种制备高纯多晶硅的新型流化床反应器，所述流化床为集流化和冷却功能为一体的新型多晶硅制备装置。主要由壳体1、上部流化反应室2、下部流化冷却室3、籽晶加料口4、尾气出口5、降料管6、分配管7、外部加热器8、气体分布盘9、冷却组件10、产品出料口11、氢气进气口12和各种流量计、阀门、温控系统等组成。

具体来说，壳体1上部设置有籽晶加料口4，籽晶加料口带有可实现自动控制的加料阀门，可以连续或间歇性向流化床进行加料，壳体顶部设置有尾气出口5，壳体的下部偏上设置有气体分布盘9，气体分布盘9负责将原料气混合或单独经过分配板通入最底部的流化反应室，底部连接原料气进气口和辅助气进气口，壳体外部安装有加热器，壳体最下端设置产品出料口。此外，壳体包括由上自下依次相连的流化反应室、气体分布盘、流化冷却室和产品出料口。

在实际生产中，可以根据颗粒硅产品粒径要求，在流化床反应器上部设置多个流化反应室，数量上可以选择两个、三个、四个，甚至超过四个，优选的，本实用新型流化床的上部流化反应室设置为两个。在流化反应室数量为多个的情况下，上下相邻的流化反应室用分配板隔开，保证流化反应室的高度以提供原料气在流化反应室内的充分呈现流化态，所述的分配板的表面涂覆有高硬度涂层，优选碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化钛等材料涂层。

经过一段时间的流化生长，较大粒径的颗粒硅就可以通过流化反应室内的降料管输送到下端相邻的流化反应室内以便进一步发生沉积反应，颗粒硅的输送由降料管底部安装的翼阀进行控制，从而实现固体颗粒从上到下的流动。翼阀可以选择自开阀，当下降的力大于阻力时，将自动打开。进一步优选的，所述的每两个上下相邻流化反应室的降料管保持平行交错设置，以防止下料过快引起降料管堵塞。降料管内壁涂覆有高硬度涂层，进一步优选地采用碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化钛等材料涂层。

在籽晶完成最终的沉积生长后，被输送到下部流化冷却室，其内通常为氢气气氛，并安装有冷却组件。优选的冷却组件为板式冷却器或管式冷却器，也可以选择冷却水夹套等常规手段的冷媒介质。所述的冷却组件表面涂覆有高硬度涂层，进一步优选地采用碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化钛等材料涂层。

与现有技术中生产颗粒硅的工艺类似，本实用新型生产时，颗粒硅籽晶从流化床顶部加入，高纯颗粒硅产品从底部排出，原料气硅烷或卤代硅烷从冷却室上部的气体分布盘通入。所述的外部加热器选自微波加热器、脉冲加热器或电磁感应加热器，也可以选择电加热器等常规手段的加热设备。

发明人经过多次实验验证总结出，流化反应室的高度受传热量、降料管高度的影响。为保证降料管中颗粒能自由流动，应使颗粒高度所产生的静压力加上翼阀，大于所处床层中那点的压力。一般来说，设定床层高度取1-3m，则流化反应室的高度取2-10m。此外，下部冷却室的高度受颗粒硅的产量、冷却器的面积、降料管高度的影响。一般来说，流化冷却室的高度取在3-9米。

本领域技术人员清楚的是，所述的流化反应室的高度和宽度可以根据流化床反应器的工作需求和颗粒硅产品的粒径来决定，在流化床反应器正常工作时，上部流化反应室中的大粒径的颗粒硅逐渐沉降到下部流化反应室，进而输送到冷却室进行冷却，获得最终产品，提高了流化床颗粒的分级，并达到了连续化生产的目的。

以下采用具体的实施例进一步详细说明本实用新型，但本实用新型并不限于以下实施例中公开的内容。

实施例1

参见图1，从图中明显可以看出，流化床壳体包括自上而下依次相连的流化反应室2、气体分布盘9、流化冷却室3和产品出料口11。在上部设置有2个流化反应室的情况下，籽晶加料口4和尾气出口5分别与第一流化反应室相连通，原料气硅烷经气体分布盘9均匀分布到第二流化反应室内，进而通过分配板7进入到第一流化反应室，从而籽晶可以在第一流化反应室进行沉积生长，反应一段时间后，较大粒径的颗粒硅经过降料管6沉降到第二流化反应室，再进行一段时间的沉积并生长，两个流化反应器是高度在6m。

通过调节流化反应室内的反应气速，控制颗粒硅生长到目标粒径时，第二流化反应室的颗粒硅经过自然沉降，再经降料管6输送到壳体下部的流化冷却室，流化冷却室的高度在4m，颗粒硅在氢气气氛中被均匀流化，同时，经过板式冷却器的冷却，得到目标粒径的颗粒硅产品，然后从流化床底部的产品出料口排出，进行收集。

在上述实验条件下，硅烷气体的一次转化率可达95%以上，合格的颗粒硅产品（粒径范围0.8-1.2mm）占下料总量的85wt%以上。

实施例2

类似的，该流化床壳体上部可以设置有3个流化反应室，籽晶加料口4和尾气出口5分别与第一流化反应室相连通，原料气三氯氢硅和氢气经气体分布盘9均匀分布到第三流化反应室内，进而通过分配板7逐渐进入第二流化反应室和第一流化反应室，籽晶在第一流化反应室进行沉积生长，反应一段时间后，较大粒径的颗粒硅经过降料管6沉降到第二流化反应室，进一步发生沉积生长。

同理，通过调节流化反应室内的反应气速，控制颗粒硅生长到目标粒径时，第二流化反应室内的较大粒径的颗粒硅经过自然沉降，再经降料管6沉降到第三流化反应室，进一步发生沉积生长，三个流化反应器是高度在5m。当生长到目标粒径时，第三流化反应室的颗粒硅自然沉降到壳体下部的流化冷却室，流化冷却室的高度在8m，在氢气气氛中经过管式冷却器的冷却，得到目标粒径的颗粒硅产品，然后从底部的产品出料口排出，进行收集。

在上述实验条件下，三氯氢硅气体的一次转化率可达90%以上，合格的颗粒硅产品（粒径范围0.9-1.4mm）占下料总量的86wt%以上。

实施例3

类似的，该流化床壳体还可以在上部设置有4个流化反应室，其中，籽晶加料口4和尾气出口5分别与第一流化反应室相连通，原料气三氯氢硅和氢气经气体分布盘9均匀分布到第四流化反应室内，进而通过分配板7逐渐进入第三流化反应室、第二流化反应室以及第一流化反应室，籽晶在第一流化反应室进行沉积生长，反应一段时间后，较大粒径的颗粒硅经过降料管6沉降到第二流化反应室，进一步发生沉积生长。

同理，通过调节流化反应室内的反应气速，控制颗粒硅生长到目标粒径时，第二和第三流化反应室内的较大粒径的颗粒硅分别经过各自流化反应室内的降料管6沉降到第三和第四流化反应室，进一步发生沉积生长，四个流化反应器是高度在4m。当生长到目标粒径时，第四流化反应室的颗粒硅自然沉降到壳体下部的流化冷却室，流化冷却室的高度在9m，在氢气气氛中经过管式冷却器的冷却，得到目标粒径的颗粒硅产品，然后从底部的产品出料口排出，进行收集。

在上述实验条件下，三氯氢硅气体的一次转化率可达90%以上，合格的颗粒硅产品（粒径范围1.0-1.5mm）占下料总量的89wt%以上。

尽管上文已结合实施例对本实用新型的具体实施方式进行了详细描述，但是需要指明的是，本实用新型的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由权利要求书来确定。本领域技术人员可以依据本实用新型的技术构想对上述实施方式进行各种等效改变和适当修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生产高纯多晶硅的流化床反应器，其壳体上部设置有籽晶加料口，壳体顶部设置有尾气出口，壳体的下部偏上设置有气体分布盘，气体分布盘底部连接原料气进气口和辅助气进气口，壳体外部安装有加热器，壳体底部设置产品出料口，其特征在于，壳体包括由上自下依次相连的流化反应室、气体分布盘、流化冷却室和产品出料口。

2.根据权利要求1所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的上部流化反应室设置为两个或两个以上，其高度为2-10m，流化反应室包含分配板和降料管，通过分配板隔开。

3.根据权利要求2所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的上部流化反应室设置两个。

4.根据权利要求1或2或3所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的每两个上下相邻流化反应室的降料管在垂直方向上保持平行交错设置，以防止下料过快引起的降料管堵塞，所述的降料管内壁和涂覆有高硬度涂层，优选地采用碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化钛等材料涂层。

5.根据权利要求4所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的降料管底部安装有翼阀。

6.根据权利要求5所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的降料管底部的翼阀为自开阀，当下降的力大于阻力时，将自动打开。

7.根据权利要求1所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的下部流化冷却室高度为3-9m，其内通有氢气，并安装有冷却组件。

8.根据权利要求7所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的冷却组件选自板式冷却器或管式冷却器。

9.根据权利要求7或8所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的冷却组件表面涂覆有高硬度涂层，优选地采用碳化硅、氮化硅、氮化硼、氮化钛等材料涂层。

10.根据权利要求1所述的生产高纯多晶硅的流化床反应器，其特征在于，所述的气体分布盘设置在与流化冷却室直接相邻的流化反应室的下端位置。