CN218709227U - 一种联合生产三氯氢硅的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种联合生产三氯氢硅的系统，包括流化床、排渣罐、以及合成炉，所述流化床，用于进行氢化反应生成三氯氢硅；所述排渣罐上设有进料口、排气口、以及排渣口，所述进料口与所述流化床相连，用于接收流化床排出的细硅粉及金属杂质，所述排气口与外界环境连通，用于排出排渣罐中的气体，以对排渣罐泄压，所述排渣口与所述合成炉相连，用于在泄压后将排渣罐中的细硅粉及金属杂质排出到合成炉；所述合成炉，用于接收排渣罐排出的细硅粉及金属杂质并使细硅粉反应生成三氯氢硅。本发明不仅可以防止细硅粉和金属杂质在流化床中聚集，提高反应效率，还可以充分利用流化床内没有参与反应的细硅粉，提高转化率和产量。

Description

一种联合生产三氯氢硅的系统

技术领域

本发明属于多晶硅生产技术领域，具体涉及一种联合生产三氯氢硅的系统。

背景技术

多晶硅是制造集成电路硅衬底、太阳能电池等产品的主要原料，是发展信息产业和新能源产业的重要基石。生产多晶硅的方法有多种，比如，四氯化硅还原法、硅烷热分解法、流化床法、改良西门子法等，其中，改良西门子法是当今世界生产多晶硅的主流技术，在大规模的多晶硅生产中，有85％以上的生产厂采用的是改良西门子法。改良西门子法主要的原料是三氯氢硅、回收氢气，因此研究三氯氢硅的生产工艺、生产设备、生产过程控制方案，具有十分重要的意义。

目前，流化床反应器生产三氯氢硅是主流工艺，主要是利用四氯化硅在高温及催化剂作用下发生加氢反应得到三氯氢硅，四氯化硅的氢化反应主要方程式表示为：

3SiCl₄+2H₂+Si＝4SiHCl₃

在流化床反应器中，四氯化硅与硅粉、氢气进行气、固相反应。反应合成气经文丘里洗涤器洗涤后，含大量固体颗粒的液相进入洗涤塔的底部，含少量固体颗粒的气相进入洗涤塔上部被回流液进一步洗涤，气相中的粉尘随回流液流入洗涤塔塔釜，塔釜液经文丘里循环泵送入文丘里洗涤器。洗涤净化后的气相经冷凝系统冷凝后，冷凝液氯硅烷进入粗TCS缓冲罐，不凝气氢气循环使用。

然而，在流化床反应器生产三氯氢硅工艺中，原料硅粉一般采用的是纯度≥99％的工业硅粉，剩余1％主要为金属杂质(包括铁、铝和钙等)，其中，99％的硅粉中会含有一定量的细硅粉，细硅粉和金属杂质都不参与上述氢化反应，但是，随着氢化反应的进行，不反应的金属杂质及细硅粉会不断的在流化床反应器中聚集，尤其是在反应层内持续聚集，占据反应层中有效硅粉(即可反应硅粉)的位置，导致可反应的有效硅粉的占比下降，从而影响氢化反应效率，进而导致转化率和产量下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的以上不足，提供一种联合生产三氯氢硅的系统，不仅可以防止细硅粉和金属杂质在流化床中聚集，提高反应效率，还可以充分利用流化床内没有参与反应的细硅粉，提高转化率和产量。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提供一种联合生产三氯氢硅的系统，包括流化床、排渣罐、以及合成炉，其中：

所述流化床，用于进行氢化反应生成三氯氢硅；

所述排渣罐上设有进料口、排气口、以及排渣口，所述进料口与所述流化床相连，用于接收流化床排出的细硅粉及金属杂质，所述排气口与外界环境连通，用于排出排渣罐中的气体，以对排渣罐泄压，所述排渣口与所述合成炉相连，用于在泄压后将排渣罐中的细硅粉及金属杂质排出到合成炉；

所述合成炉，用于接收排渣罐排出的细硅粉及金属杂质并使细硅粉反应生成三氯氢硅。

优选的，所述排渣罐外还设有夹套，夹套内通冷却水，用于对排渣罐降温。

优选的，所述进料口与所述流化床中的反应层通过排渣管线相连，排渣管线上设有盲板阀。

优选的，所述系统还包括过滤装置，所述过滤装置与所述排气口相连，用于除去排渣罐排出的气体中夹带的细硅粉及金属杂质。

优选的，所述过滤装置包括旋风分离器和放空过滤器，所述旋风分离器与所述排气口相连，所述放空过滤器再与所述旋风分离器相连。

优选的，所述系统还包括组分在线检测仪，所述组分在线检测仪设于所述流化床的出口上，用于检测流化床排出的反应产物中的三氯氢硅含量。

优选的，所述系统还包括催化剂添加罐，所述催化剂添加罐与所述合成炉相连，用于向合成炉中加入催化剂。

有益效果：

本发明的联合生产三氯氢硅的系统，通过设置排渣罐，可以实现在线排渣，将流化床内的聚集的细硅粉及金属杂质及时排出，有效减少流化床的反应层内的细硅粉及金属杂质的含量，提高反应层内有效硅粉的占比，从而提高流化床的反应效率，同时降低杂质含量，通过设置合成炉，可以充分利用流化床内没有参与反应的细硅粉，提高转化率和产量。相比于传统技术，本系统有效结合了流化床和合成炉的生产特点，既发挥了流化床产量大的特点，又提高了流化床的反应效率，还可以转化率，并且，检修方便，有利于提高市场竞争力。

附图说明

图1为本发明实施例中的联合生产三氯氢硅的系统的结构示意图。

图中：1-流化床；2-盲板阀；3-组分在线检测仪；4-排渣罐；5-旋风分离器；6-放空过滤器；7-控制阀；8-合成炉；9-催化剂添加罐；10-夹套。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、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。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例公开一种联合生产三氯氢硅的系统，包括流化床1、排渣罐4、以及合成炉8，其中：

流化床1，用于进行氢化反应生成三氯氢硅；

排渣罐4上设有进料口、排气口、以及排渣口，进料口与流化床相连，用于接收流化床1排出的细硅粉及金属杂质，排气口与外界环境或后续的处理系统连通，用于排出排渣罐4中的气体，即用于气体放空，以对排渣罐4泄压，使排渣罐4中的压力降低至略高于合成炉的压力，排渣口与合成炉8相连，用于在泄压后将排渣罐4中的细硅粉及金属杂质排出到合成炉8；

合成炉，用于接收排渣罐4排出的细硅粉及金属杂质，并使细硅粉反应生成三氯氢硅。

具体来说，在系统运行初期，通过向流化床1内持续加入硅粉(一般为纯度为99％的工业硅粉)、氢气、以及四氯化硅原料进行氢化反应生成三氯氢硅，主要反应方程式为：

3SiCl₄+2H₂+Si＝4SiHCl₃

同时，随着氢化反应的进行，硅粉中的细硅粉及金属杂质由于不参与反应从而在流化床1的反应层内聚集，并占据反应层中用于参与氢化反应的有效硅粉的位置，会导致有效硅粉的占比下降，当氢化反应进行一段时间后，流化床1的产品出口排出的三氯氢硅产品中的三氯氢硅组分含量将降低到24％左右(正常为26％左右)。流化床1内的温度优选控制为500℃左右，压力优选控制为3MPaG左右。

排渣罐4的形式和流化床1相类似，能够耐高温、耐高压。如图1所示，排渣罐4的进料口与流化床1中的反应层通过排渣管线相连，进料口优选设于排渣罐4的中下部，并优选低于流化床1的反应层的位置，排渣管线呈倾斜状，以便顺利排出流化床内的细硅粉及金属杂质。并且，排渣管线上设有盲板阀2，以控制排渣管线的通断。当流化床1运行时，盲板阀2处于关闭状态，排渣罐4内的压力为常压，当氢化反应进行一段时间后，停运流化床1，打开盲板阀2，将流化床1内的聚集的细硅粉及金属杂质尽可能完全排出到排渣罐4中，从而有效减少流化床1的反应层内的细硅粉及金属杂质的含量，进而提高使有效硅粉的占比，最终确保流化床1的反应效率，提高流化床的产品转化率，同时降低杂质含量。当流化床1内的聚集的细硅粉及金属杂质排尽之后，再关闭盲板阀，将排渣罐4与流化床1断开。排气口设于排渣罐4的顶部，排渣罐4内的压力通过排渣罐4上的排气口排出，从而实现泄压，本实施例中，排渣罐4内的压力优选控制为0.4MPaG左右。排渣口设于排渣罐4的底部，并与合成炉1通过管道相连，管道上设有控制阀7，以控制该管道的通断。

泄压后，打开上述控制阀7，再将排渣罐4中的细硅粉及金属杂质排出到合成炉8进行合成反应生成三氯氢硅，主要反应方程式为：

3HCl+Si＝SiHCl₃+H₂

合成炉8内发生的合成反应，是传统技术中生产三氯氢硅的另一种工艺，相比于流化床生产三氯氢硅工艺，此合成反应过程是多晶硅生产中必不可少的反应，因为多晶硅生产中的Cl-会发生损耗，需持续进行补入，合成炉8生产三氯氢硅的反应原材料HCl就是为多晶硅生产过程补充Cl-的过程，从而维持多晶硅生产过程的持续性，该合成反应过程的反应压力较低，对硅粉的品质要求也较低，从而可以利用流化床1中没有利用的细硅粉，从而提高硅粉转化率和三氯氢硅产量。待合成炉8的转化率持续下降，内部杂质富集后，关停合成炉8进行检修，相比于流化床1，合成炉检修更方便。

在一些实施方式中，排渣罐4外还设有夹套10，夹套10内通冷却水，或者，排渣罐4外还设有冷却盘管，用于对排渣罐4降温，以使排渣罐4内的细硅粉的温度降低至略高于合成炉8中合成反应所需的反应温度(比如，400℃)。

本实施例中，合成炉8采用夹套冷却水控制合成炉的温度，也就是说，如图1所示，合成炉外也设有夹套10。

在一些实施方式中，本系统还包括过滤装置，过滤装置与排渣罐4的排气口相连，用于除去排渣罐4排出的气体中夹带的细硅粉、金属杂质等粉尘，防止将细硅粉、金属杂质等粉尘带入到后续的处理系统。

具体来说，如图1所示，过滤装置包括旋风分离器5和放空过滤器6，旋风分离器5与排渣罐的排气口相连，放空过滤器6再与旋风分离器5的气相出口相连。

在一些实施方式中，本系统还包括组分在线检测仪3，组分在线检测仪3设于流化床1的出口上，用于检测流化床1排出的反应产物的组成，以确定其中的三氯氢硅含量。

本实施例中，组分在线检测仪3优选检测三氯氢硅和四氯化硅两种组分，即组分在线检测仪3显示三氯氢硅和四氯化硅两种组分的含量。

在一些实施方式中，本系统还包括催化剂添加罐9，催化剂添加罐9与合成炉8相连，用于向合成炉8中加入催化剂，以提高合成反应转化率。

下面对本实施例中的联合生产三氯氢硅的系统的使用过程进行详述，具体如下：

关闭盲板阀2，向流化床1内持续加入一定比例的99％的工业硅粉、氢气、以及四氯化硅原料，并加热至500℃，控制流化床1内压力为2.5MPaG，使工业硅粉、氢气、以及四氯化硅原料发生氢化反应生成三氯氢硅。

同时，通过组分在线检测仪3对流化床1的产品出口的排出物中的三氯氢硅的含量进行监测，系统开始投入运行时，所述排出物中的三氯氢硅组分的含量在26％左右，随着氢化反应持续进行，所述排出物中的三氯氢硅组分的含量开始逐步下降，当下降至24％左右时，停止通入工业硅粉等原料。

之后，打开盲板阀2，将流化床1的反应层内富集的反应物(包括细硅粉及金属杂质、氢气、氯硅烷等等)全部排出到排渣罐4中，然后关闭盲板阀2，流化床1再次进行上述氢化反应生成。

进入排渣罐4内的细硅粉及金属杂质、氢气、氯硅烷等，依次经过旋风分离器5、放空过滤器6进行泄压，泄至一定压力后(压力略高于合成炉8压力，如0.4MPaG)，向排渣罐4外的夹套10内通入冷却水对排渣罐4进行降温，当温度降至400℃后(略高于合成炉的反应温度)，打开排渣罐4与合成炉8之间的管道上的控制阀7，将降温后的细硅粉及金属杂质排出到合成炉8，并通过催化剂添加罐9按照一定比例将催化剂添加至合成炉8内，同时控制合成炉8的压力及温度在合理范围，使细硅粉在催化剂作用下与氯化氢发生合成反应生成三氯氢硅，待排渣罐4内的细硅粉及金属杂质全部排出至合成炉8后，关闭控制阀7。合成炉8正常情况下一直处于生产状态，当合成炉8的转化率持续下降，并降低该工艺的预期值时，停运合成炉8，并进行检修，以清理合成炉8内富集的杂质，之后再重新投运合成炉8，回复合成炉8的生产，如此反复，可以保障本系统中流化床1的反应效率。

本实施例的联合生产三氯氢硅的系统，通过设置排渣罐，可以实现在线排渣，将流化床内的聚集的细硅粉及金属杂质及时排出，有效减少流化床的反应层内的细硅粉及金属杂质的含量，提高反应层内有效硅粉的占比，从而提高流化床的反应效率，同时降低杂质含量，通过设置合成炉，可以充分利用流化床内没有参与反应的细硅粉，提高转化率和产量。相比于传统技术，本系统有效结合了流化床和合成炉的生产特点，既发挥了流化床产量大的特点，又提高了流化床的反应效率，还可以转化率，并且，检修方便，有利于提高市场竞争力。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种联合生产三氯氢硅的系统，其特征在于，包括流化床(1)、排渣罐(4)、以及合成炉(8)，

所述流化床，用于进行氢化反应生成三氯氢硅；

所述排渣罐上设有进料口、排气口、以及排渣口，

所述进料口与所述流化床相连，用于接收流化床排出的细硅粉及金属杂质，

所述排气口与外界环境连通，用于排出排渣罐中的气体，以对排渣罐泄压，

所述排渣口与所述合成炉相连，用于在泄压后将排渣罐中的细硅粉及金属杂质排出到合成炉；

所述合成炉，用于接收排渣罐排出的细硅粉及金属杂质并使细硅粉反应生成三氯氢硅。

2.根据权利要求1所述的联合生产三氯氢硅的系统，其特征在于，所述排渣罐外还设有夹套(10)，夹套内通冷却水，用于对排渣罐降温。

3.根据权利要求2所述的联合生产三氯氢硅的系统，其特征在于，所述进料口与所述流化床中的反应层通过排渣管线相连，排渣管线上设有盲板阀(2)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的联合生产三氯氢硅的系统，其特征在于，所述系统还包括过滤装置，

所述过滤装置与所述排气口相连，用于除去排渣罐排出的气体中夹带的细硅粉及金属杂质。

5.根据权利要求4所述的联合生产三氯氢硅的系统，其特征在于，所述过滤装置包括旋风分离器(5)和放空过滤器(6)，

所述旋风分离器与所述排气口相连，所述放空过滤器再与所述旋风分离器相连。

6.根据权利要求5所述的联合生产三氯氢硅的系统，其特征在于，所述系统还包括组分在线检测仪(3)，

所述组分在线检测仪设于所述流化床的出口上，用于检测流化床排出的反应产物中的三氯氢硅含量。

7.根据权利要求6所述的联合生产三氯氢硅的系统，其特征在于，所述系统还包括催化剂添加罐(9)，

所述催化剂添加罐与所述合成炉相连，用于向合成炉中加入催化剂。

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