專利名稱：生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的方法及裝置，更具體地涉及一種流化床工藝生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法及裝置。
背景技術(shù)：
多晶硅生產(chǎn)工藝除了傳統(tǒng)的改良西門子法之外，還有流化床法、物理法等。由于流化床工藝能耗更低，其也被看作是改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝最有力的替代。流化床工藝是將加熱后的多晶硅顆粒作為籽晶輸送到反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)通入含硅氣體或/和氫氣， 含硅氣體或/和氫氣在多晶硅顆粒表面發(fā)生熱分解或還原，產(chǎn)生單質(zhì)硅并沉積在顆粒表面；在反應(yīng)器下部將部分粒徑為0. 1 IOmm的多晶硅顆粒作為產(chǎn)品取出；在反應(yīng)區(qū)上部， 加入作為晶種的直徑為0. 01 1. Omm的多晶硅細顆粒以維持反應(yīng)器內(nèi)多晶硅顆粒的量。該發(fā)明技術(shù)具有反應(yīng)器連續(xù)操作且運行周期長、能耗低等優(yōu)點。但普通流化床工藝在生產(chǎn)粒狀多晶硅的過程中會產(chǎn)生粒徑極細的硅粉(粒徑小于10 μ m。在基于鹵代硅烷反應(yīng)系統(tǒng)的流化床內(nèi)，細硅粉易吸附鹵代硅烷并隨產(chǎn)品粒狀多晶硅排出，造成最終產(chǎn)品中鹵素雜質(zhì)超標，同時由于細硅粉的生成，須控制流化床反應(yīng)器內(nèi)的進氣量，降低細硅粉被尾氣夾帶之流化床后端管道內(nèi)所造成的危害，這導(dǎo)致產(chǎn)品粒狀多晶硅的平均粒徑下降，反應(yīng)器產(chǎn)率降低。為了提高流化床產(chǎn)率并提高產(chǎn)品粒徑，本發(fā)明采取加大原料氣和輔助氣進料量的方式，使進氣量達到最小流態(tài)化速度的40 50倍，從而一方面獲得粒徑更大的產(chǎn)品粒狀多晶硅，而另一方面將生成的細硅粉帶入流化床頂部擴大段，降低由于鹵代硅烷吸附造成的產(chǎn)品雜質(zhì)污染，而為了避免細硅粉進入后端管道，在流化床頂部擴大段增設(shè)鹵化氫進料管， 通入鹵化氫氣體，使細硅粉在高濃度鹵化氫氣體內(nèi)被反應(yīng)重新生成鹵代硅烷并隨尾氣排出反應(yīng)器，可達到元素循環(huán)利用的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的方法及其相關(guān)裝置，該方法通過在流化床頂部擴大段通入鹵化氫氣體將反應(yīng)器內(nèi)生成的細硅粉反應(yīng)生成鹵代硅烷，增加流化床原料進氣量，從而使反應(yīng)器達到更大的產(chǎn)率，并消除細硅粉對產(chǎn)品及系統(tǒng)的危害。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下—種采用流化床工藝生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的方法，其特征在于它在流化床反應(yīng)器底部原料進氣口通入氫氣與含硅氣體作為原料混合氣并由輔助氣進氣口通入氫氣作為流態(tài)化氣體，原料混合氣與輔助氣通過氣體分布盤進入流化床內(nèi)；硅籽晶由位于流化床上部的硅籽晶加料口加入流化床內(nèi)，反應(yīng)生成的粒狀多晶硅由下部的粒狀硅出料口排出；在硅籽晶加料口以上的位置通過鹵化氫進氣管通入鹵化氫氣體，與被夾帶至擴大段的細硅粉進行反應(yīng)生成鹵代甲硅烷并隨尾氣從尾氣出口排出。
其中，所述含硅氣體優(yōu)選地為商代甲硅烷，特別優(yōu)選地為三氯甲硅烷或三溴甲硅焼。其中，所述原料混合氣中氫氣與所述含硅氣體的摩爾比為1 0.4 1 5，原料混合氣被加熱至250 350°C后通入流化床反應(yīng)器。其中，所述作為流態(tài)化氣體的氫氣被加熱至400 1000°C后通入流化床反應(yīng)器。其中，所述含硅氣體和所述氫氣中所含的雜質(zhì)分子比例小于0. Ippm0其中，所述硅籽晶具有不低于目標產(chǎn)品的純度和電阻率，粒徑為10 1000 μ m。其中，所述流化床反應(yīng)器下部直筒段溫度為700 1000°C。其中，所述流化床反應(yīng)器內(nèi)壓力為0. 1 lObar，優(yōu)選地為0. 8 2bar。其中，所述由鹵化氫進氣管通入的鹵化氫氣體優(yōu)選地為氯化氫或溴化氫，所述鹵化氫進氣管的位置在擴大段溫度區(qū)間為250 550°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選地為300 400°C范圍。其中，所述鹵化氫進氣管通入的鹵化氫氣體溫度范圍為50 550°C，優(yōu)選地為 150 350 。一種用于生產(chǎn)高純粒狀多晶硅的流化床裝置，其特征在于它的殼體分為下部直筒段和上部擴大段，直筒段底部設(shè)有氣體分布盤，氣體分布盤底部連接原料氣進氣口、輔助氣進氣口以及粒狀硅出料口 ；殼體上部側(cè)方設(shè)有硅籽晶加料口和鹵化氫進氣管，頂部設(shè)有尾氣出口。其中，所述殼體內(nèi)部設(shè)有加熱設(shè)備，優(yōu)選地采用電加熱線圈或輻射加熱。其中，所述殼體的直筒段內(nèi)壁設(shè)有石墨內(nèi)襯。其中，所述石墨內(nèi)襯表面優(yōu)選地鍍有高硬度涂層，優(yōu)選地采用氮化硅、碳化硅、氮化硼或氮化鈦等材料制備涂層。其中，所述氣體分布盤表面優(yōu)選地鍍有高硬度涂層，優(yōu)選地采用氮化硅、碳化硅、 氮化硼或氮化鈦等材料制備涂層。其中，所述籽晶加料口設(shè)在殼體上部，優(yōu)選地設(shè)在殼體直筒段頂部，加料口內(nèi)優(yōu)選地鍍有高硬度涂層，優(yōu)選地采用氮化硅、碳化硅、氮化硼或氮化鈦等材料制備涂層。其中，所述鹵化氫進氣管設(shè)在殼體上部，位于所述硅籽晶加料口上方，優(yōu)選地設(shè)在殼體擴大段處。其中，所述鹵化氫進氣管連接在所述殼體內(nèi)部環(huán)管上，所述環(huán)管內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有噴嘴，所述噴嘴方向為水平或斜向上。其中，所述殼體擴大段內(nèi)壁材質(zhì)及所述環(huán)管材質(zhì)采用高硬度耐腐蝕合金制成。有益效果采用本發(fā)明所述的方法及裝置生產(chǎn)粒狀多晶硅，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點1)提高了流化床反應(yīng)器的進料量，獲取更大粒徑的粒狀多晶硅，提高單臺設(shè)備的產(chǎn)率；2)降低產(chǎn)品中鹵素雜質(zhì)污染，提高產(chǎn)品純度；3)消除細硅粉夾帶至流化床后端管道而產(chǎn)生的危害。


圖1是本發(fā)明所涉及的流化床生產(chǎn)粒狀多晶硅過程示意圖。其中，1、殼體；2、原料氣進氣口 ；3、輔助氣進氣口 ；4、粒狀硅出料口 ；5、氣體分布盤；6、粒狀多晶硅；7、硅籽晶加
4料口 ；8、鹵化氫進氣管；9、細硅粉；10、尾氣出口。圖2是本發(fā)明所涉及的鹵化氫進氣環(huán)管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，801、環(huán)管；802、噴嘴。
具體實施例方式以下通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明中的方法及裝置進行詳細說明，但這些實施例僅僅是例示的目的，并不旨在對本發(fā)明的范圍進行任何限定。實施例參見圖1，圖1是本發(fā)明中涉及的流化床生產(chǎn)粒狀多晶硅過程示意圖。它包括殼體1、原料氣進氣口 2、輔助氣進氣口 3、粒狀硅出料口 4、氣體分布盤5、粒狀多晶硅6、硅籽晶加料口 7、鹵化氫進氣管8、細硅粉9和尾氣出口 10。殼體1下部直筒段底部固定在氣體分布盤5上，氣體分布盤5下部連接原料氣進氣口 2和輔助氣進氣口 3，加熱至約300°C的原料混合氣通過原料氣進氣口 2進入流化床內(nèi)，加熱至約700 800°C的純氫氣通過輔助氣進氣口 3經(jīng)過氣體分布盤5的內(nèi)部孔道進入流化床內(nèi)，直筒段上部側(cè)面連接硅籽晶加料口 7，加熱至約700 900°C的純度約為8 9N， 粒徑為100 500μπι的硅籽晶由硅籽晶加料口 7通入流化床，與氣體在直筒段內(nèi)接觸并形成流態(tài)化床層，直筒段內(nèi)壁加熱線圈加熱至約1000°C，粒徑達到約3 6mm的粒狀多晶硅6 從粒狀硅出料口 4排出流化床反應(yīng)器；殼體1上部擴大段側(cè)面連接鹵化氫進氣管8，頂部連接尾氣出口 10，鹵化氫進氣管8連接位于擴大段內(nèi)部的環(huán)管801，加熱至約300°C的鹵化氫氣體通入鹵化氫進氣管8進入如圖2所示的環(huán)管801并由噴嘴802噴入擴大段內(nèi)，與被夾帶至擴大段的細硅粉9反應(yīng)生成鹵代硅烷，并與主體氣流由尾氣出口 10排出。尾氣排出后經(jīng)過分離得到氫氣、鹵化氫及多種鹵代硅烷，可循環(huán)利用物料。具體實施條件1)流化床直筒段直徑為lm，高6m，擴大段直徑為2. 5m,高8m。2)硅籽晶加料口位于直筒段頂部，鹵化氫進氣管位于擴大段距頂部5m處。3)流化床內(nèi)壓力為^ar。4)原料混合氣采用三氯甲硅烷與氫氣混合，三氯甲硅烷流量為5m3/h，氫氣流量為 10m3/h，輔助氣體采用純氫氣，流量為20m3/h。5)頂部通入氯化氫氣體，流量約為20m3/h。6)硅籽晶采用純度為9N的多晶硅制備，粒徑為150 500 μ m。7)流化床啟動時先通入輔助氣體，對FBR內(nèi)進行吹掃和升溫，輔助氣體流量最終調(diào)節(jié)至20m3/h。從硅籽晶加料口加入籽晶，穩(wěn)定后開啟流化床直筒段的電加熱組件進行加熱，溫度升至約1000°C時，開始通入原料混合氣并在頂部開始通入氯化氫，待流化床直筒段內(nèi)頂部與底部壓差穩(wěn)定后可開始從出料口取出產(chǎn)品粒狀硅。連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)100小時，總共投入籽晶約100kg，由出料口中得到約230kg產(chǎn)品，單程轉(zhuǎn)化率約為21%，產(chǎn)品平均粒徑為 4 5mm，總產(chǎn)量約為130kg，單位電耗約為^kWh/kg，純度為8N。運行100小時后檢測后端管道，無硅粉沉積。上述實施例中，使用較大的流化床進氣量將反應(yīng)形成的細硅粉帶至流化床擴大段，并通入高濃度氯化氫與細硅粉反應(yīng)，消除細硅粉對后端管道的危害，同時獲得粒徑較大的產(chǎn)品粒狀多晶硅，并且由于消除了吸附有較多氯硅烷的細硅粉夾雜在產(chǎn)品中，所獲得的產(chǎn)品純度也較高。 盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應(yīng)該指明的是， 可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種采用流化床工藝生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，包括向流化床反應(yīng)器內(nèi)通入作為原料氣體的含硅氣體和氫氣，以及所述原料氣體在加有籽晶的流化床反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)生成粒狀多晶硅的步驟，其特征在于所述流化床反應(yīng)器的上部擴大段部分設(shè)有含鹵氣體進氣口，所述含鹵氣體與被夾帶至擴大段的細硅粉反應(yīng)生成鹵代甲硅烷并隨尾氣從尾氣出口排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述原料氣體由流化床反應(yīng)器底部原料氣進氣口通入，作為輔助氣的氫氣或惰性氣體由輔助氣進氣口通入，所述原料氣體與所述輔助氣通過氣體分布盤進入流化床反應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含硅氣體為氯硅烷、溴硅烷中的任意一種，優(yōu)選地為三氯甲硅烷、三溴甲硅烷中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含鹵氣體為氯氣、 氯化氫、溴氣、溴化氫中的任意一種，優(yōu)選地為氯化氫或溴化氫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述流化床反應(yīng)器內(nèi)壓力為0. 1 lobar。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述流化床反應(yīng)器的下部直筒段內(nèi)溫度為700 1000°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含鹵氣體進氣管的位置設(shè)在流化床反應(yīng)器的上部擴大段溫度區(qū)間為250 550°C的范圍內(nèi)，優(yōu)選地為300 400°C范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，其特征在于所述含鹵氣體進氣管通入的含鹵氣體溫度范圍為50 550°C，優(yōu)選地為150 350°C。
9.一種用于生產(chǎn)粒狀多晶硅的流化床裝置，其特征在于裝置殼體(1)包括下部直筒段和上部擴大段，直筒段底部設(shè)有氣體分布盤(5)，氣體分布盤( 下部連接原料氣進氣口 O)、輔助氣進氣口( 以及粒狀硅出料口(4)；殼體(1)上部擴大段設(shè)有硅籽晶加料口(7) 及含鹵氣體進氣管(8)，殼體(1)頂部設(shè)有尾氣出口(10)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流化床裝置，其特征在于所述硅籽晶加料口(7)優(yōu)選地位于所述殼體(1)直筒段頂部或擴大段底部。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流化床裝置，其特征在于所述含鹵氣體進氣管(8)位于所述籽晶加料口(7)以上的位置，優(yōu)選地設(shè)在所述殼體(1)擴大段上。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述含鹵氣體進氣管(8)連接在所述殼體(1)內(nèi)部環(huán)管(801)上，所述環(huán)管(801)內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有噴嘴(802)，所述噴嘴(802)方向為水平或斜向上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用流化床工藝生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法及裝置，通過將氯化氫從流化床頂部擴大段通入流化床反應(yīng)器，所述氯化氫與生產(chǎn)粒狀硅過程中生成的細硅粉反應(yīng)生成氣體氯硅烷，從而消除細硅粉進入流化床后端管道對系統(tǒng)產(chǎn)生危害的風(fēng)險，同時消除了細硅粉夾帶，從而提高流化床進氣流量以提高反應(yīng)器單位產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本；同時頂部通入的氯化氫與細硅粉反應(yīng)生成氯硅烷，實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)一定量的氯循環(huán)。
文檔編號C01B33/03GK102530951SQ201010603238
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者陳涵斌 申請人:江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司