CN220012155U - 多晶硅的生产系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了多晶硅的生产系统。多晶硅的生产系统包括：氯化硅的生产系统，用于生产含有液态氯化硅的原料；还原炉，用于使液态锌单质和液态氯化硅反应生成多晶硅和氯化锌；电解设备，用于对氯化锌进行电解处理并输出氯气和液态锌单质；氯气回流机构，用于将氯气回流至氯化硅生产系统中；锌单质回流机构，用于将液态锌单质回流至电解设备中。本实用新型可以直接以硅石粉和/或微硅粉制备得到多晶硅，有助于提升多晶硅生产效率。以微硅粉制备多晶硅能够最大化提升微硅粉的利用价值，显著提升硅资源的利用率，并显著减少微硅粉污染。烟气中的气态氯化铁和气态氯化铝也得到了较高纯度的逐级回收，显著提升了烟气的综合利用效果。

Description

多晶硅的生产系统

技术领域

本实用新型涉及硅石、微硅粉、硅铁、氯化硅和多晶硅的技术领域，具体而言，涉及多晶硅的生产系统。

背景技术

二氧化硅的化学式为SiO₂，有晶态和无定形两种形态。自然界中存在的二氧化硅如石英、石英砂等统称硅石。硅石是生产工业硅(即金属硅粉)和硅铁(即硅铁合金，又叫矽铁)的主要原料。其中，工业硅的制备主要采用碳热法，即以原矿硅石为原料，石油焦、冶金焦、木炭、木片、低灰煤等为还原剂，在矿热电炉中高温熔炼(1800℃以上)，从硅石中还原出金属硅，其为无渣埋弧高温熔炼过程。硅铁合金的制备也主要采用碳热法，即以原矿硅石、钢屑和还原剂(大多使用冶金焦)为原料，经过1500～1800℃高温还原的硅熔于铁液中，即形成硅铁合金，是冶炼行业重要的合金品种。

微硅粉即硅灰，是矿热电炉冶炼工业硅或硅铁合金时，炉内高温区域的硅石与碳质还原剂在还原气氛下反应产生的SiO、CO及少量金属气体经逸出后迅速氧化冷凝为粒径0.3μm左右的球状亚微米级非晶二氧化硅颗粒。碳热法对原矿硅石的利用率不高，其产生的低价值的微硅粉占比原矿硅石重量大约40％左右，造成硅资源的整体利用率低。并且，由于目前国内一些企业生产的微硅粉的质量较差，导致微硅粉的使用量不超过实际回收量的60％，使得微硅粉大量堆积，造成了土地资源的浪费，同时也对人类健康造成一定危害。

为实现球形微硅粉向高纯球形二氧化硅的转变，对微硅粉进行提纯俨然成为当前研究的热点和技术难点。微硅粉纯度的提高，不仅能显著提高其经济附加值，且也可用于农业、医疗，甚至更高端的领域。近年来，国内外对微硅粉的应用及提纯都进行了研究。目前，微硅粉主要通过煅烧、酸浸、碱溶、絮凝等方法进行提纯。但是，对微硅粉的提纯研究只是扩大其应用方向的方法，并没有真正发挥微硅粉的应用价值。

碳热法生产工业硅和硅铁合金产生的烟气要进行微硅粉的收集、余热回收、脱硫脱硝等一系列的处理措施，才能实现环保排放的要求，但是，由于在低温条件进行脱硝，使得催化剂成本较高且脱硝效果较差，因此目前尚无绿色高效的治理手段，存在大量亟待解决的环境污染问题。

碳热法生产的工业硅的纯度通常在99.9％以内，若要制取太阳能级多晶硅(99.9999％及以上的纯度)还需要进行一系列的化学反应才能实现，如西门子法、硅烷法、冶金法等，使得多晶硅的生产成本偏高，生产周期较长。

实用新型内容

第一方面，本实用新型的主要目的在于提供多晶硅的生产方法和生产系统，以解决现有技术中多晶硅的生产成本偏高，生产周期较长，以及微硅粉的利用价值低的技术问题。

为了实现上述第一方面的目的，本实用新型提供的多晶硅的生产方法的技术方案如下：

多晶硅的生产方法，包括以下步骤：将硅原料、碳单质和氯气反应生成含有粉尘、气态氯化铁、气态氯化铝、气态氯化硅的烟气，所述硅原料为硅石粉和/或微硅粉；对烟气进行换热处理；去除烟气中的粉尘，输出第一粉体和第一无尘气；使第一无尘气中气态氯化铁冷凝为固态氯化铁，输出第一气固混合物；对第一气固混合物进行气固分离处理，输出第二粉体和第二无尘气；使第二无尘气中气态氯化铝冷凝为固态氯化铝，输出第二气固混合物；对第二气固混合物进行气固分离处理，输出第三粉体和第三无尘气；使第三无尘气中气态氯化硅冷凝为液态氯化硅，输出第一冷凝液和第一不凝气；将液态氯化硅还原为多晶硅。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：多晶硅的生产方法，其特征在于：将硅石粉、碳单质和氯气在1723～2230℃下反应生成所述烟气；或将硅石粉、微硅粉、碳单质和氯气在1723～2000℃下反应生成所述烟气。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：所述烟气中还含有气态氯化钛，生产方法还包括步骤：使第三无尘气中的气态氯化硅和气态氯化钛同步冷凝，即所述第一冷凝液中还含有液态氯化钛；或者，首先使第三无尘气中的气态氯化钛冷凝，输出第二冷凝液和第二不凝气；然后使第二不凝气中的气态氯化硅冷凝为液态氯化硅，输出第一冷凝液和第一不凝气。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：所述第一无尘气的温度为350～600℃；所述第一气固混合物的温度为230～300℃；所述第一不凝气的温度为0～30℃；当使气态氯化钛和气态氯化硅同步冷凝时，所述第二气固混合物的温度为120～165℃，优选为140～165℃；当使气态氯化钛和气态氯化硅分步冷凝时，所述第二气固混合物的温度为140～165℃，第二不凝气的温度为70～120℃。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：将微硅粉、碳单质和氯气在1000～2000℃下反应生成所述烟气。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：所述第一无尘气的温度为350～600℃；所述第一气固混合物的温度为230～300℃；所述第二气固混合物的温度为100～165℃；所述第一不凝气的温度为0～30℃。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：还包括对第一不凝气进行气液分离处理，输出分离液和分离气；还包括将所述分离气回流至与硅原料和碳单质反应；还包括对第一冷凝液和分离液进行精馏处理以提纯液态氯化硅；还包括对第二粉体进行升华处理以提纯氯化铝；还包括将第三无尘气加压至0.08～1.2MPa时再进行冷凝处理。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：采用液态锌单质将液态氯化硅还原为多晶硅和氯化锌。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：生产方法还包括步骤：对氯化锌进行电解处理，输出氯气和液态锌单质；将氯气回流至与硅原料和碳单质反应；将液态锌单质回流至与氯化硅反应。

作为上述的多晶硅的生产方法的进一步改进：所述硅石粉由原矿硅石经制粉处理得到，所述硅石粉的粒度≤1mm；所述微硅粉收集于碳热法制备工业硅或硅铁合金时生成的烟气，所述微硅粉的密度为0.5～0.7t/m³。

为了实现上述第一方面的目的，本实用新型提供的多晶硅的生产系统的技术方案如下：

第一种多晶硅的生产系统，包括：氯化冶金炉，用于使硅原料、碳单质和氯气反应生成含有粉尘、气态氯化铁、气态氯化铝、气态氯化硅的烟气，所述硅原料为硅石粉和/或微硅粉；第一换热设备，用于对烟气进行换热处理；第一除尘设备，用于去除烟气中的粉尘并输出第一粉体和第一无尘气；第二换热设备，用于使第一无尘气中气态氯化铁冷凝为固态氯化铁并输出第一气固混合物；第二除尘设备，用于对第一气固混合物进行气固分离处理并输出第二粉体和第二无尘气；第三换热设备，用于使第二无尘气中气态氯化铝冷凝为固态氯化铝并输出第二气固混合物；第三除尘设备，用于对第二气固混合物进行气固分离处理并输出第三粉体和第三无尘气；第四换热设备，用于使第三无尘气中气态氯化硅冷凝为液态氯化硅并输出第一冷凝液和第一不凝气；还原炉，用于使液态锌单质和液态氯化硅反应生成多晶硅和氯化锌。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：所述第一换热设备为余热锅炉；所述第二换热设备和第三换热设备采用具有灰仓的折流冷却器，无尘气在折流运动时产生的固体颗粒物一部分随气固混合物流入对应的除尘设备，一部分则落入灰仓中；所述第四换热设备采用水冷设备；所述第一除尘设备、第二除尘设备和第三除尘设备中至少第一除尘设备采用金属滤芯。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括用于使第三无尘气中的气态氯化钛冷凝并输出第二冷凝液和第二不凝气的第五换热设备，所述第四换热设备用于使第二不凝气中的气态氯化硅冷凝为液态氯化硅并输出第一冷凝液和第一不凝气。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括：气液分离设备，用于对第一不凝气进行气液分离处理并输出分离液和分离气；分离气回流机构，用于将所述分离气回流至氯化冶金炉中；精馏设备，用于对第一冷凝液和分离液进行精馏处理以提纯液态氯化硅。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：所述第一冷凝液和第一不凝气共同储存于第一储罐中，第一储罐的下方设有出液口，第一储罐上方设有出气口，该出气口与气液分离设备连接，气液分离设备的分离液出口与第一储罐连接或气液分离设备的分离液出口与出液口通过并联的管道与精馏设备或还原炉连接。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括：升华设备，用于对第三粉体进行升华处理以提纯氯化铝；加压设备，用于将第三无尘气加压至0.08～1.2MPa。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括氮气输送机构，所述氮气输送机构用于向第一除尘设备、第二除尘设备和第三除尘设备输送反吹清灰用的氮气、用于向第一除尘设备、第二除尘设备和第三除尘设备输送平衡卸灰用的氮气以及用于向气体流动管道内输送置换用的氮气；所述氮气输送机构包括氮气缓冲罐和加热设备。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括：电解设备，用于对氯化锌进行电解处理并输出氯气和液态锌单质；氯气回流机构，用于将氯气回流至氯化冶金炉中；锌单质回流机构，用于将液态锌单质回流至电解设备中。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括与氯化冶金炉连接的用于将原矿硅石破碎为细硅粉的硅石粉制粉系统。

作为上述的第一种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括与氯化冶金炉连接的用于收集碳热法制备工业硅或硅铁合金时生成的烟气中的微硅粉收集系统。

第二种多晶硅的生产系统，包括：氯化硅的生产系统，用于生产含有液态氯化硅的原料；还原炉，用于使液态锌单质和液态氯化硅反应生成多晶硅和氯化锌；电解设备，用于对氯化锌进行电解处理并输出氯气和液态锌单质；氯气回流机构，用于将氯气回流至氯化硅生产系统中；锌单质回流机构，用于将液态锌单质回流至电解设备中。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：所述锌单质回流机构包括锌单质储罐和牵引液态锌单质流动的泵。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：所述锌单质回流机构还包括对锌单质储罐进行保温或加热的换热结构。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括储存液态氯化硅的氯化硅储罐和牵引液态氯化硅流动的泵。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括混合设备，所述液态氯化硅和液态锌单质在混合设备中液液混合后再输入到还原炉中。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括将固体锌原料熔融为液态锌单质的熔融设备。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：所述还原炉中设有承载晶种的晶床。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：所述氯化硅生产系统包括:氯化冶金炉，用于使硅原料、碳单质和氯气反应生成含有粉尘、气态氯化铁、气态氯化铝、气态氯化硅的烟气，所述硅原料为硅石粉和/或微硅粉；分离提纯机构，用于处理所述烟气并输出含有液态氯化硅的第一冷凝液和第一不凝气。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：所述氯化硅生产系统还包括：气液分离设备，用于对第一不凝气进行气液分离处理并输出含有液态氯化硅的分离液和分离气；分离气回流机构，用于将所述分离气回流至氯化冶金炉中。

作为上述的第二种多晶硅的生产系统的进一步改进：还包括对第一冷凝液和分离液进行精馏处理以提纯液态氯化硅的精馏设备。

在上述第一方面的技术方案中：可以直接以硅石粉和/或微硅粉制备得到多晶硅，工艺路线相教于碳热法+西门子法/硅烷法/冶金法的结合路线而言得到显著的缩短和简化，有助于提升多晶硅生产效率。以微硅粉制备多晶硅能够最大化提升微硅粉的利用价值，显著提升硅资源的利用率，并显著减少微硅粉污染。烟气中的气态氯化铁和气态氯化铝也得到了较高纯度的逐级回收，显著提升了烟气的综合利用效果。

第二方面，本实用新型的主要目的在于提供硅石粉制粉系统和硅石处理系统，以提升上述第一方面所述的多晶硅的生产方法和生产系统的生产效率。

为了实现上述第二方面的目的，本实用新型提供的硅石粉制粉系统的技术方案如下：

硅石粉制粉系统，包括：第一破碎设备，用于将原矿硅石破碎为粒度≤100mm的第一粉料；第二破碎设备，用于将第一粉料破碎为粒度≤50mm的第二粉料；第三破碎设备，用于将第二粉料破碎为粒度≤5mm的第三粉料；干燥设备，用于干燥第三粉料；分选设备，用于分选出第三粉料中粒度≤1mm的细硅粉，输出粗硅粉和携带有细硅粉的含尘气体；收集设备，用于收集含尘气体中的细硅粉。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：所述第一破碎设备采用颚式破碎机。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：所述第二破碎设备采用锤式破碎机或反击式破碎机。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：所述第三破碎设备采用球磨机。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：所述干燥设备采用向第三破碎设备中输入热风的鼓风机。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：所述收集设备采用防爆型袋式收尘器。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：还包括将原矿硅石输送至第一破碎设备的振动给料机。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：还包括将第二粉料输送至第三破碎设备的自卸汽车、装载机、矿斗、调速喂料皮带机和斗式提升机。

作为上述的硅石粉制粉系统的进一步改进：还包括储存细硅粉的第一粉仓；还包括将粗硅粉重新输入至第三破碎设备的管道；还包括牵引气体排放并与收集设备的出气口依次连接的引风机和第一烟囱。

为了实现上述第二方面的目的，本实用新型提供的硅石处理系统的技术方案如下：

硅石处理系统，包括处理硅石和/或微硅粉、氯气和碳单质的氯化冶金炉，所述氯化冶金炉与上述的硅石粉制粉系统的细硅粉输出端相连。

在上述第二方面的技术方案中，通过对原矿硅石进行特殊的制粉处理，能够显著提升硅资源的利用率。制粉系统的结构简单，设备投入成本低，具有极强的实用性。

第三方面，本实用新型的主要目的在于提供微硅粉收集系统和微硅粉处理系统，以解决现有技术中碳热法生产工业硅和硅铁合金产生的烟气未被有效治理以及微硅粉难以被有效利用的技术问题。

为了实现上述第三方面的目的，本实用新型提供的微硅粉收集系统的技术方案如下：

微硅粉收集系统，用于收集碳热法制备工业硅或硅铁合金时生成的烟气中的微硅粉，包括：第一热交换设备，用于将烟气的温度降至260～400℃并输出第一气体；所述第一热交换设备与冶炼炉的排烟管连接；过滤设备，用于收集第一气体中的微硅粉并输出第二气体和尘体；加密设备，用于对尘体进行加密处理并输出微硅粉；脱硝设备，用于对第二气体进行脱硝处理并输出第三气体；第二热交换设备，用于将第三气体的温度降至160～200℃并输出第四气体；脱硫设备，用于对第四气体进行脱硫处理并输出排放气体。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：所述第一热交换设备和第二热交换设备均采用余热锅炉。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：所述第一热交换设备中自然沉降的尘体排入加密设备。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：所述过滤设备和脱硝设备采用过滤脱硝一体化装置，该装置中的灰斗、滤芯和脱硝催化剂填料层由下至上分布于壳体中。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：在过滤脱硝一体化装置的进气管道上或滤芯和脱硝催化剂填料之间设有喷氨机构。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：所述过滤设备采用金属滤芯。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：所述脱硫设备包括依次连接的干法脱硫塔和除尘器；或者所述脱硫设备包括喷淋塔。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：还包括牵引气体排放并与脱硫设备的出气口依次连接的引风机和第二烟囱。

作为上述的微硅粉收集系统的进一步改进：还包括储存微硅粉的第二粉仓。

为了实现上述第三方面的目的，本实用新型提供的微硅粉处理系统的技术方案如下：

微硅粉处理系统，包括处理硅石和/或微硅粉、氯气和碳单质的氯化冶金炉，所述氯化冶金炉与上述的微硅粉收集系统的微硅粉输出端连接。

在上述第三方面的技术方案中，一方面通过较高温度下的过滤和脱硝，使得烟气达到环保排放的要求，另一方面高效回收微硅粉，并通过加密设备对微硅粉进行加密处理，便于微硅粉的运输和利用。收集系统的结构简单，设备投入成本低，具有极强的实用性。

第四方面，本实用新型的主要目的在于提供能够获得纯度较高的氯化硅的生产系统，以解决现有技术中多晶硅的生产成本偏高，生产周期较长，以及微硅粉的利用价值低的技术问题。

为了实现上述第四方面的目的，本实用新型提供的氯化硅的生产系统的技术方案如下：

氯化硅的生产系统，包括：氯化冶金炉，用于使硅原料、碳单质和氯气反应生成含有粉尘、气态氯化铁、气态氯化铝、气态氯化硅的烟气，所述硅原料为硅石粉和/或微硅粉；第一换热设备，用于对烟气进行换热处理；第一除尘设备，用于去除烟气中的粉尘并输出第一粉体和第一无尘气；第二换热设备，用于使第一无尘气中气态氯化铁冷凝为固态氯化铁并输出第一气固混合物；第二除尘设备，用于对第一气固混合物进行气固分离处理并输出第二粉体和第二无尘气；第三换热设备，用于使第二无尘气中气态氯化铝冷凝为固态氯化铝并输出第二气固混合物；第三除尘设备，用于对第二气固混合物进行气固分离处理并输出第三粉体和第三无尘气；第四换热设备，用于使第三无尘气中气态氯化硅冷凝为液态氯化硅并输出第一冷凝液和第一不凝气；气液分离设备，用于对第一不凝气进行气液分离处理并输出分离液和分离气；所述液态氯化硅富集于第一冷凝液和分离液中。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：所述第一换热设备为余热锅炉；所述第二换热设备和第三换热设备采用具有灰仓的折流冷却器，无尘气在折流运动时产生的固体颗粒物一部分随气固混合物流入对应的除尘设备，一部分则落入灰仓中；所述第四换热设备采用水冷设备；所述第一除尘设备、第二除尘设备和第三除尘设备中至少第一除尘设备采用金属滤芯。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：还包括用于使第三无尘气中的气态氯化钛冷凝并输出第二冷凝液和第二不凝气的第五换热设备，所述第四换热设备用于使第二不凝气中的气态氯化硅冷凝为液态氯化硅并输出第一冷凝液和第一不凝气。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：还包括用于将所述分离气回流至氯化冶金炉中的分离气回流机构。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：还包括用于对第一冷凝液和分离液进行精馏处理以提纯液态氯化硅的精馏设备。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：所述第一冷凝液和第一不凝气共同储存于第一储罐中，第一储罐的下方设有出液口，第一储罐上方设有出气口，该出气口与气液分离设备连接，气液分离设备的分离液出口与第一储罐连接或和气液分离设备的分离液出口与出液口通过并联的管道与精馏设备连接。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：还包括：升华设备，用于对第三粉体进行升华处理以提纯氯化铝；加压设备，用于将第三无尘气加压至0.08～1.2MPa。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：还包括氮气输送机构，所述氮气输送机构用于向第一除尘设备、第二除尘设备和第三除尘设备输送反吹清灰用的氮气、用于向第一除尘设备、第二除尘设备和第三除尘设备输送平衡卸灰用的氮气以及用于向气体流动管道内输送置换用的氮气；所述氮气输送机构包括氮气缓冲罐和加热设备。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：还包括与氯化冶金炉连接的用于将原矿硅石破碎为细硅粉的硅石粉制粉系统。

作为上述的氯化硅的生产系统的进一步改进：还包括与氯化冶金炉连接的用于收集碳热法制备工业硅或硅铁合金时生成的烟气中的微硅粉收集系统。

在上述第四方面的技术方案中：以微硅粉制备氯化硅能够最大化提升微硅粉的利用价值，显著提升硅资源的利用率，并显著减少微硅粉污染。烟气中的气态氯化铁、气态氯化铝也得到了较高纯度的逐级回收，显著提升了烟气的综合利用效果。可以直接以硅石粉和/或微硅粉制备得到较高纯度的氯化硅，以该氯化硅为原料可以得到太阳能级多晶硅，工艺路线相教于碳热法+西门子法/硅烷法/冶金法的结合路线而言得到显著的缩短和简化，有助于提升多晶硅生产效率。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来辅助对本实用新型的理解，附图中所提供的内容及其在本实用新型中有关的说明可用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。

在附图中：

图1为本实用新型的硅石粉制粉系统的实施例的结构示意图。

图2为本实用新型的微硅粉收集系统的实施例的结构示意图。

图3为本实用新型的氯化硅的生产系统的第一实施例的结构示意图。

图4为本实用新型的氯化硅的生产系统的第二实施例的结构示意图。

图5为本实用新型的氯化硅的生产系统的第三实施例的结构示意图。

图6为本实用新型的多晶硅的生产系统的实施例的结构示意图。

上述附图中的有关标记为：

110-第一破碎设备，120-第二破碎设备，130-第三破碎设备，140-干燥设备，150-分选设备，160-收集设备，170-第一粉仓，180-第一烟囱，190-振动给料机，210-第一热交换设备，220-过滤设备，230-加密设备，240-脱硝设备，250-第二热交换设备，261-干法脱硫塔，262-除尘器，270-第二粉仓，280-冶炼炉，290-第二烟囱，300-氯化冶金炉，411-第一换热设备，412-第一除尘设备，413-第一储灰罐，421-第二换热设备，422-第二除尘设备，423-第二储灰罐，431-第三换热设备，432-第三除尘设备，433-第三储灰罐，434-升华设备，450-第五换热设备，453-第二储罐，460-加压设备，441-第四换热设备，442-气液分离设备，443-第一储罐，471-氮气缓冲罐，472-加热设备，480-第一风机，490-精馏设备，510-还原炉，520-电解设备，530-锌单质储罐，540-第二风机，550-混合设备，560-氯化硅储罐，570-熔融设备。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。在结合附图对本实用新型进行说明前，需要特别指出的是：

本实用新型中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本实用新型的实施例通常仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

关于本实用新型中术语和单位。本实用新型的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

图1为本实用新型的硅石粉制粉系统的实施例的结构示意图。

如图1所示，硅石粉制粉系统包括第一破碎设备110、第二破碎设备120、第三破碎设备130、干燥设备140、分选设备150和收集设备160。所述第一破碎设备110用于将原矿硅石破碎为粒度≤100mm的第一粉料，所述第一破碎设备110优选采用颚式破碎机。所述第二破碎设备120用于将第一粉料破碎为粒度≤50mm的第二粉料，所述第二破碎设备120优选采用锤式破碎机或反击式破碎机。所述第三破碎设备130用于将第二粉料破碎为粒度≤5mm的第三粉料，所述第三破碎设备130优选采用球磨机。所述干燥设备140用于干燥第三粉料，所述干燥设备140优选采用向第三破碎设备130中输入热风的鼓风机。所述分选设备150用于分选出第三粉料中粒度≤1mm的细硅粉，输出粗硅粉和携带有细硅粉的含尘气体，所述分选设备150优选为三分离选粉机、离心式选粉机、旋风式选粉机中的任意一种。所述收集设备160用于收集含尘气体中的细硅粉，所述收集设备160优选采用防爆型袋式收尘器。

所述原矿硅石通过振动给料机190输送至第一破碎设备110中。

所述第二粉料通过自卸汽车、装载机、矿斗、调速喂料皮带机和斗式提升机输送至第三破碎设备130中。

所述细硅粉储存于第一粉仓170中。

所述粗硅粉通过管道重新输入至第三破碎设备130中。

所述收集设备160的出气口排出的气体在引风机的牵引下通过第一烟囱180排放。

图2为本实用新型的微硅粉收集系统的实施例的结构示意图。

如图2所示，微硅粉收集系统用于收集碳热法制备工业硅或硅铁合金时生成的烟气中的微硅粉，微硅粉收集系统包括第一热交换设备210、过滤设备220、加密设备230、脱硝设备240、第二热交换设备250和脱硫设备。所述第一热交换设备210用于将烟气的温度降至260～400℃并输出第一气体，所述第一热交换设备210与冶炼炉280的排烟管连接，所述第一热交换设备210优选采用余热锅炉，所述第一热交换设备210中自然沉降的尘体排入加密设备230。所述过滤设备220用于收集第一气体中的微硅粉并输出第二气体和尘体，所述过滤设备220采用金属滤芯。所述加密设备230用于对第一热交换设备210中自然沉降的尘体以及过滤设备220拦截的尘体进行加密处理并输出微硅粉，所述加密设备230采用将微硅粉加密至密度为0.5～0.7t/m3的加密罐。所述脱硝设备240用于对第二气体进行脱硝处理并输出第三气体。所述第二热交换设备250用于将第三气体的温度降至160～200℃并输出第四气体，所述第二热交换设备250优选采用余热锅炉。所述脱硫设备用于对第四气体进行脱硫处理并输出排放气体。

所述过滤设备220和脱硝设备240采用过滤脱硝一体化装置，该装置中的灰斗、滤芯和脱硝催化剂填料层由下至上分布于壳体中。在过滤脱硝一体化装置的进气管道上或滤芯和脱硝催化剂填料之间设有喷氨机构，其中，优选在进气管道上设置喷氨机构，这样可以使氨水和第一气体混合得更为均匀，从而显著提升脱硝效果。

所述脱硫设备包括依次连接的干法脱硫塔261和除尘器262；或者所述脱硫设备包括喷淋塔。

所述脱硫设备的出气口排出的气体在引风机的牵引下通过第二烟囱290排放。

加密后的微硅粉储存于第二粉仓270中。

图3为本实用新型的氯化硅的生产系统的第一实施例的结构示意图。

如图3所示，氯化硅的生产系统包括氯化冶金炉300、第一换热设备411、第一除尘设备412、第二换热设备421、第二除尘设备422、第三换热设备431、第三除尘设备432、加压设备460、第四换热设备441和氮气输送机构。所述氯化冶金炉300用于使硅原料、碳单质和氯气反应生成含有粉尘、气态氯化铁、气态氯化铝和气态氯化硅的烟气，所述硅原料为硅石粉和/或微硅粉。所述第一换热设备411用于对烟气进行换热处理。所述第一除尘设备412用于去除烟气中的粉尘并输出第一粉体和第一无尘气。所述第二换热设备421用于使第一无尘气中气态氯化铁冷凝为固态氯化铁并输出第一气固混合物。所述第二除尘设备422用于对第一气固混合物进行气固分离处理并输出第二粉体和第二无尘气。所述第三换热设备431用于使第二无尘气中气态氯化铝冷凝为固态氯化铝并输出第二气固混合物。所述第三除尘设备432用于对第二气固混合物进行气固分离处理并输出第三粉体和第三无尘气。所述加压设备460用于将第三无尘气加压至0.08～1.2MPa后再输入到第四换热设备441中。所述第四换热设备441用于使第三无尘气中气态氯化硅冷凝为液态氯化硅并输出第一冷凝液和第一不凝气，所述液态氯化硅富集于第一冷凝液中。所述氮气输送机构用于向第一除尘设备412、第二除尘设备422和第三除尘设备432输送反吹清灰用的氮气、用于向第一除尘设备412、第二除尘设备422和第三除尘设备432输送平衡卸灰用的氮气以及用于向气体流动管道内输送置换用的氮气(开停车时使用)，所述氮气输送机构包括氮气缓冲罐471和加热设备472。

所述第一换热设备411优选为余热锅炉。

所述第二换热设备421和第三换热设备431采用具有灰仓的折流冷却器，无尘气在折流运动时产生的固体颗粒物一部分随气固混合物流入对应的除尘设备，一部分自然沉降并落入灰仓中。

所述第四换热设备441优选采用水冷设备。

所述第一除尘设备412、第二除尘设备422和第三除尘设备432中至少第一除尘设备412采用金属滤芯。

在换热设备中自然沉降的粉体与对应的除尘设备中拦截的粉体集中储存于储灰罐中，即生产系统还包括分别储存第一粉体、第二粉体和第三粉体的第一储灰罐413，第二储灰罐423和第三储灰罐433。

第一换热设备411、第一除尘设备412、第二换热设备421、第二除尘设备422、第三换热设备431、第三除尘设备432和第四换热设备441构成了烟气的分离提纯机构，能够逐级回收纯度较高的氯化铁、氯化铝和氯化硅。

为使硅原料在氯化冶金炉300中均匀分散，优选通过罗茨风机将硅原料以喷吹的形式输入到氯化冶金炉300中。

优选地，氯化硅的生产系统还包括气液分离设备442和分离气回流机构。所述气液分离设备442用于对第一不凝气进行气液分离处理并输出分离液和分离气；所述液态氯化硅富集于第一冷凝液和分离液中。所述分离气回流机构用于将所述分离气回流至氯化冶金炉300中，所述分离气回流机构包括第一风机480。由此，可以高效回收第一不凝气中的氯化硅，实现硅资源的最大化利用。

图4为本实用新型的氯化硅的生产系统的第二实施例的结构示意图。

如图4所示，在第一实施例的基础上，本实施例的氯化硅的生产系统还包括第五换热设备450，所述第五换热设备450用于使第三无尘气中的气态氯化钛冷凝并输出第二冷凝液和第二不凝气，第二冷凝液中主要是氯化钛并储存于第二储罐453中。所述第四换热设备441用于使第二不凝气中的气态氯化硅冷凝为液态氯化硅并输出第一冷凝液和第一不凝气。由此，当硅原料中含有氧化钛时，通过在第四换热设备441之前设置第五换热设备450，可以使烟气中的气态氯化钛和气态氯化硅分步冷凝，从而进一步提升第一冷凝液和分离液中氯化硅的纯度。此时，分离提纯机构进一步包括第五换热设备450，能够逐级回收纯度较高的氯化铁、氯化铝、氯化钛和氯化硅。

优选地，氯化硅的生产系统还包括用于对第三粉体进行升华处理以提纯氯化铝的升华设备434。由此，当烟气中的少量气态氯化钛因温度波动等原因提前随气态氯化铝一并冷凝时，通过对第三粉体进行升华处理，可以提升氯化铝的纯度并使氯化铝和氯化钛分离。当然，也可以通过对第二粉体也进行升华处理以提升氯化铁的纯度。

图5为本实用新型的氯化硅的生产系统的第三实施例的结构示意图。

如图5所示，在第一实施例或第二实施例的基础上，本实施例的氯化硅的生产系统还包括用于对第一冷凝液和分离液进行精馏处理以提纯液态氯化硅的精馏设备490。所述第一冷凝液和第一不凝气共同储存于第一储罐443中，第一储罐443的下方设有出液口，第一储罐443上方设有出气口，该出气口与气液分离设备442连接，气液分离设备442的分离液出口与第一储罐443连接或和气液分离设备442的分离液出口与出液口通过并联的管道与精馏设备490连接。由此，无论气态氯化钛和气态氯化硅是分步冷凝还是同步冷凝，通过精馏设备490均可以确保所得氯化硅的纯度。但是当采用分步冷凝时，将提升精馏的效率。当然，也可以通过对第二冷凝液也进行精馏处理以提升氯化钛的纯度。

一般来说，原矿硅石中含有较多的二氧化钛，在经碳热法的冶炼炉280处理后，微硅粉中的含有的二氧化钛很少，因此，当硅原料含有原矿硅石或由原矿硅石破碎得到的硅石粉时，优选使气态氯化钛和气态氯化硅分步冷凝，当硅原料仅为微硅粉时，优选使气态氯化钛和气态氯化硅同步冷凝，然后再经精馏处理使氯化钛和氯化硅分离。

在上述氯化硅的生产系统的三个实施例中，优选但是不限于采用图1和/或图2所示的系统获取细硅粉和/或微硅粉作为硅原料。例如，微硅粉可以采用现有的系统(如先脱硫再低温脱硝)收集得到的微硅粉。

图6为本实用新型的多晶硅的生产系统的实施例的结构示意图。

如图6所示，多晶硅的生产系统包括氯化硅的生产系统、还原炉510、电解设备520、氯气回流机构和锌单质回流机构。所述氯化硅的生产系统用于生产含有液态氯化硅的原料，可以但是不限于采用上述三个实施例中任意一个实施例所述的氯化硅的生产系统，即原料可以为第一冷凝液、第一冷凝液和分离液混合物、精馏产生的液态氯化硅中的任意一种。所述还原炉510用于使液态锌单质和液态氯化硅反应生成多晶硅和氯化锌，所述还原炉510中设有承载晶种的晶床。所述电解设备520用于对氯化锌进行电解处理并输出氯气和液态锌单质。所述氯气回流机构用于将氯气回流至氯化硅生产系统中，所述氯气回流机构包括第二风机540。所述锌单质回流机构用于将液态锌单质回流至电解设备520中，所述锌单质回流机构包括锌单质储罐530、牵引液态锌单质流动的泵以及对锌单质储罐530进行保温或加热的换热结构。

优选地，还包括储存液态氯化硅的氯化硅储罐560和牵引液态氯化硅流动的泵。当采用精馏设备490时，优选将氯化硅储罐560和泵设于第一储罐443和还原炉510之间。当不采用精馏设备490时，第一储罐443可以直接作为氯化硅储罐560使用。

优选地，还包括混合设备550和熔融设备570，所述液态氯化硅和液态锌单质在混合设备550中液液混合后再输入到还原炉510中，所述熔融设备570用于将固体锌原料熔融为液态锌单质然后输入到锌单质储罐530中。

本实用新型的多晶硅的生产方法的第一实施例为包括以下步骤：

将硅原料、碳单质和氯气反应生成含有粉尘、气态氯化铁、气态氯化铝、气态氯化硅的烟气，所述硅原料为硅石粉和/或微硅粉，所述的碳单质优选但是不限于为兰炭；

对烟气进行换热处理；

去除烟气中的粉尘，输出第一粉体和第一无尘气；所述第一无尘气的温度为350～600℃，优选为420～600℃，最优选为480～550℃；所述第一粉体中主要为未反应完全的粉尘等，可作为建筑的混合砂使用，或重新输入至氯化冶金炉300中反应；

使第一无尘气中气态氯化铁冷凝为固态氯化铁，输出第一气固混合物，所述第一气固混合物的温度为230～300℃，优选为250～280℃；

对第一气固混合物进行气固分离处理，输出第二粉体和第二无尘气；所述第二粉体主要为凝固的氯化铁；

使第二无尘气中气态氯化铝冷凝为固态氯化铝，输出第二气固混合物；

对第二气固混合物进行气固分离处理，输出第三粉体和第三无尘气；所述第三粉体主要为凝固的氯化铝；

将第三无尘气加压至0.08～1.2MPa，优选为0.1MPa；

使第三无尘气中气态氯化硅冷凝为液态氯化硅，输出第一冷凝液和第一不凝气，所述第一不凝气的温度为0～30℃，优选为10～25℃，最优选为15～20℃；

对第一不凝气进行气液分离处理，输出分离液和分离气；所述液态氯化硅富集于分离液和第一冷凝液中；

将所述分离气回流至与硅原料和碳单质反应；分离气中主要为二氧化碳和一氧化碳的混合物，重新输入至氯化冶金炉300中反应可以为氯化反应燃烧供热；

采用液态锌单质将液态氯化硅还原为多晶硅和氯化锌。

其中，当所述硅原料仅为微硅粉时，将微硅粉、碳单质和氯气在1000～2000℃下反应生成所述烟气。对应的，所述第二气固混合物的温度为100～165℃，为了确保第二粉体的纯度，优选使第二气固混合物的温度为140～165℃，或者优选对第二粉体进行升华处理。此时，所得第一冷凝液和分离液中液态氯化硅已达到还原制备多晶硅的纯度，当然也可以进一步对第一冷凝液和分离液进行精馏处理以提纯液态氯化硅。

当所述硅原料仅为硅石粉时，将硅石粉、碳单质和氯气在1723～2230℃下反应生成所述烟气；当所述硅原料为硅石粉或硅石粉与微硅粉的混合物时，将硅石粉、微硅粉、碳单质和氯气在1723～2000℃下反应生成所述烟气。

由于硅石粉中含有的二氧化钛将转化为氯化钛并持续以气态形式存在于第三无尘气中，因此，当使第三无尘气中的气态氯化硅和气态氯化钛同步冷凝时，气态氯化硅和气态氯化钛同步冷凝于第一冷凝液中，对第一冷凝液和分离液进行精馏处理即可分别得到液态氯化硅和液体氯化钛。此时，所述第二气固混合物的温度为120～165℃，然后对第二粉体进行升华处理以提升氯化铝纯度，或者使第二气固混合物的温度为140～165℃。

当使第三无尘气中的气态氯化硅和气态氯化钛分步冷凝时，首先使第三无尘气中的气态氯化钛冷凝，输出第二冷凝液和第二不凝气，然后使第二不凝气中的气态氯化硅冷凝为液态氯化硅，输出第一冷凝液和第一不凝气。此时，所述第二气固混合物的温度为140～165℃，第二不凝气的温度为70～120℃。当然也可以采用升华处理和精馏处理以保证纯度。

所述硅石粉由原矿硅石经图1所示的系统制粉处理得到，所述硅石粉的粒度≤1mm，优选为200～500μm；所述微硅粉由图2所示的系统收集于碳热法制备工业硅或硅铁合金时生成的烟气，所述微硅粉的密度为0.5～0.7t/m³，优选为0.6t/m³。

在第一实施例的基础上，本实用新型的多晶硅的生产方法的第二实施例进一步包括以下步骤：

对氯化锌进行电解处理，输出氯气和液态锌单质；

将氯气回流至与硅原料和碳单质反应；

将液态锌单质回流至与氯化硅反应。

由此，氯气和锌单质可以循环使用，且循环使用所需投入的成本低，显著减少了原材料消耗，从而显著降低了生产成本。

综上可知，本实用新型通过硅原料氯化反应、氯化硅还原反应和氯化锌电解反应的高效结合，不仅得到应用范围广泛的太阳能级的多晶硅，使得硅资源得到高效、深度的利用，而且回收了较多的纯度较高的有价金属，相较于传统的多晶硅制备系统及工艺(碳热法+西门子法/硅烷法/冶金法的结合)，本实用新型的原料投入成本低、设备投入及能耗低、生产周期短，绿色环保，具有深远的经济价值。

以上对本实用新型的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本实用新型。基于本实用新型的上述内容，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他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

Claims (10)

1.多晶硅的生产系统，其特征在于：包括：

氯化硅的生产系统，用于生产含有液态氯化硅的原料；

还原炉(510)，用于使液态锌单质和液态氯化硅反应生成多晶硅和氯化锌；

电解设备(520)，用于对氯化锌进行电解处理并输出氯气和液态锌单质；

氯气回流机构，用于将氯气回流至氯化硅生产系统中；

锌单质回流机构，用于将液态锌单质回流至电解设备(520)中。

2.如权利要求1所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：所述锌单质回流机构包括锌单质储罐(530)和牵引液态锌单质流动的泵。

3.如权利要求2所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：所述锌单质回流机构还包括对锌单质储罐(530)进行保温或加热的换热结构。

4.如权利要求1所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：还包括储存液态氯化硅的氯化硅储罐(560)和牵引液态氯化硅流动的泵。

5.如权利要求1所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：还包括混合设备(550)，所述液态氯化硅和液态锌单质在混合设备(550)中液液混合后再输入到还原炉(510)中。

6.如权利要求1所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：还包括将固体锌原料熔融为液态锌单质的熔融设备(570)。

7.如权利要求1所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：所述还原炉(510)中设有承载晶种的晶床。

8.如权利要求1所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：所述氯化硅生产系统包括:

氯化冶金炉(300)，用于使硅原料、碳单质和氯气反应生成含有粉尘、气态氯化铁、气态氯化铝、气态氯化硅的烟气，所述硅原料为硅石粉和/或微硅粉；

分离提纯机构，用于处理所述烟气并输出含有液态氯化硅的第一冷凝液和第一不凝气。

9.如权利要求8所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：所述氯化硅生产系统还包括：

气液分离设备(442)，用于对第一不凝气进行气液分离处理并输出含有液态氯化硅的分离液和分离气；

分离气回流机构，用于将所述分离气回流至氯化冶金炉(300)中。

10.如权利要求9所述的多晶硅的生产系统，其特征在于：还包括对第一冷凝液和分离液进行精馏处理以提纯液态氯化硅的精馏设备(490)。