專利名稱：帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種節(jié)能型多晶硅還原爐，特別涉及一種帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置及方法。背景介紹目前，多晶硅的生產(chǎn)主要采用改良西門子法。在改良西門子法中，還原工段所發(fā)生的主要反應(yīng)是三氯氫硅被氫氣還原生成硅和氯化氫，該反應(yīng)是在多晶硅還原爐中進(jìn)行的。發(fā)生反應(yīng)時(shí)，多晶硅還原爐處于通電高溫狀態(tài)，反應(yīng)溫度保持在1050 1150°C左右，同時(shí)還原爐的爐體夾套、底盤以及電極等處都配有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，來(lái)與爐內(nèi)高溫環(huán)境進(jìn)行換熱以滿足爐體各處的溫度要求。傳統(tǒng)的多晶娃還原爐能耗非常大,可達(dá)60 100KW +/kg多晶娃,多晶娃生產(chǎn)的還 原電耗占總成本的70%左右。還原爐內(nèi)能量損失嚴(yán)重，主要原因在于多晶硅棒的高溫輻射損失。多晶硅棒通過(guò)高溫輻射將能量傳遞到還原爐內(nèi)壁上，然后通過(guò)夾套冷卻水將熱量帶走。傳統(tǒng)多晶硅還原爐，如專利CN200420060144. 8,CN200720306394. 9,CN200820105591. 9，CN200920230836. 5, CN201020215600. 7等，其進(jìn)氣口和出氣口都分布在底盤上，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是由于流場(chǎng)，溫度場(chǎng)的匹配不合理，容易在還原爐頂部滯留，產(chǎn)生流動(dòng)死區(qū)，造成局部區(qū)域的氣體溫度過(guò)高，產(chǎn)生娃粉，而這些娃粉一方面會(huì)造成原料的損失，另一方面產(chǎn)生的娃粉容易附著在鐘罩內(nèi)壁上，使得鐘罩內(nèi)壁的光潔度降低，造成因輻射而帶走的能量飆升，最終表現(xiàn)為還原電耗升高；另外由于進(jìn)口流體向上流動(dòng)，而出口的流體向下流動(dòng)，這兩股逆向流動(dòng)的流體使得還原爐內(nèi)的流體均為混流狀態(tài)，影響反應(yīng)氣的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)一步增加了還原爐的電耗。本發(fā)明在帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的基礎(chǔ)上，提出一種對(duì)應(yīng)的尾氣回收液冷卻裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了傳統(tǒng)多晶硅還原爐內(nèi)部溫度分布不均勻、鐘罩內(nèi)壁沉積硅粉以及能耗大的問(wèn)題，提供了一種帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置及方法。新型多晶硅還原爐的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)如下多晶硅還原爐內(nèi)膽包括內(nèi)壁和外壁兩層結(jié)構(gòu)，而且內(nèi)壁與外壁之間有一定空隙，多晶硅還原爐內(nèi)膽的內(nèi)壁與外壁之間通入高純?nèi)葰涔枰后w，內(nèi)膽內(nèi)壁和外壁之間的空隙與內(nèi)膽頂部底板與頂板之間的區(qū)域相連通，液態(tài)三氯氫硅吸收熱量蒸發(fā)為氣體進(jìn)入內(nèi)膽頂部，并通過(guò)內(nèi)膽頂部的回氣管進(jìn)入還原爐的反應(yīng)區(qū)域。新型多晶硅還原爐的底盤結(jié)構(gòu)如下在多晶娃還原爐底盤上方固定一氣盒，多晶娃還原爐底盤上方固定的氣盒的頂部開有均勻的孔，向多晶硅還原爐底盤上方固定的氣盒內(nèi)通入液態(tài)的三氯氫硅；多晶硅還原爐的硅棒和底盤進(jìn)氣噴嘴均穿過(guò)氣盒的頂部，同時(shí)在還原爐底盤上裝有排液管。在上述多晶硅還原爐內(nèi)膽和底盤結(jié)構(gòu)的前提下，尾氣回收液冷卻裝置結(jié)構(gòu)如下在帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐下面連接有底盤排氣總管(19)，底盤排氣總管(19)連接冷凝器(26 )，冷凝器連接儲(chǔ)罐(27 )，儲(chǔ)罐(27 )上設(shè)置有儲(chǔ)罐排氣管(28 );儲(chǔ)罐(27 )經(jīng)過(guò)泵(29)連接至尾氣回收液進(jìn)口管線(24);在尾氣回收液進(jìn)口管線(24)上設(shè)置有文丘里引射裝置(30 )和三氯氫硅液體弓I射管線(31)。本發(fā)明的尾氣回收液冷卻裝置的操作方法如下多晶硅還原爐內(nèi)膽(2)內(nèi)部產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)地盤排氣管(6)排出，內(nèi)膽(2)與鐘罩(I)之間產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)內(nèi)膽與鐘罩之間的排氣管(25)排出，兩股尾氣匯合后進(jìn)入底盤排氣總管(19)排出還原爐后，經(jīng)過(guò)冷凝器(26)冷凝后進(jìn)入儲(chǔ)罐(27)，未冷凝的氣體從儲(chǔ)罐排氣管線(28)排出進(jìn)入后續(xù)處理工段，經(jīng)冷凝降溫后的液體作為還原爐內(nèi)膽的冷卻液經(jīng)過(guò)泵(29)打入還原爐冷卻液進(jìn)口管線(24);同時(shí)在尾氣回收液進(jìn)入還原爐前安裝文丘里引射裝置(30)，將爐內(nèi)的部分三氯氫硅液體經(jīng)三氯氫硅液體引射管線(31)引射至尾氣回收液進(jìn)口管線(24)，二者混合后進(jìn)入還原爐內(nèi)膽(2 )與鐘罩(I)之間的空間，對(duì)內(nèi)膽(2 )進(jìn)行冷卻，冷卻液在高溫環(huán)境下變成氣體，經(jīng)過(guò)內(nèi)膽與鐘罩之間的出氣管(25)進(jìn)入底盤排氣總管(19)，內(nèi)膽內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多晶硅，同時(shí)尾氣經(jīng)過(guò)底盤出氣管(6)也進(jìn)入底盤排氣總管(19)，整個(gè)過(guò)程爐內(nèi)尾氣進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是與傳統(tǒng)多晶娃還原爐相比，內(nèi)膽雙層結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的底盤結(jié)構(gòu)可以大大降低娃棒向鐘罩內(nèi)壁的能量輻射，鐘罩內(nèi)壁由于溫度較低不會(huì)沉積硅粉，保持了鐘罩內(nèi)壁的拋光效果，還可以減少多晶硅還原爐鐘罩冷卻水的通入量。節(jié)能型多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻內(nèi)膽工藝減少了還原爐內(nèi)三氯氫硅冷卻液用量，減少了尾氣處理量，最終降低了能耗。


圖I為本發(fā)明的一種節(jié)能型多晶硅還原爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的一種節(jié)能型多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻內(nèi)膽工藝流程圖。其中，I-還原爐鐘罩，2-內(nèi)膽，3-硅芯，4-底盤，5-底盤進(jìn)氣管，6-底盤出氣管，7-電極，8-石墨夾套，9-爐體冷卻水進(jìn)口，10-爐體冷卻水出口，11-底盤總進(jìn)氣管，12-底盤排液管，13-底盤液態(tài)三氯氫硅進(jìn)口管，14-內(nèi)膽頂部液態(tài)三氯氫硅進(jìn)口管，15-內(nèi)膽側(cè)壁液態(tài)三氯氫硅進(jìn)口管，16-底盤冷卻氣盒，17-內(nèi)膽頂部出氣管，18-內(nèi)膽頂部回氣管，19-底盤總排氣管，20-內(nèi)膽的內(nèi)壁，21-內(nèi)膽的外壁，22-內(nèi)膽頂部底板，23-內(nèi)膽頂部頂板，24-尾氣回收液進(jìn)口管線，25-內(nèi)膽與鐘罩之間的出氣管，26-冷凝器，27-儲(chǔ)罐，28-儲(chǔ)罐排氣管，29-泵，30-文丘里引射裝置，31-三氯氫硅液體引射管線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明提供的一種節(jié)能型多晶硅還原爐的尾氣回收冷卻內(nèi)膽工藝作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖I所示，還原爐鐘罩(I)固定到還原爐底盤(4)上并密封，硅芯(3)通過(guò)石墨夾套(8)與底盤電極(7)相連接并密封，底盤電極(7)固定到還原爐底盤(4)且密封，并與供電系統(tǒng)相連接；底盤進(jìn)氣控制裝置(11)與底盤進(jìn)氣管(5)相連接，底盤排氣控制裝置(19)與底盤出氣管(6)相連接。液態(tài)三氯氫硅通過(guò)底盤液態(tài)三氯氫硅進(jìn)口管(13)進(jìn)入多晶硅還原爐底盤冷卻氣盒(16)，液態(tài)三氯氫硅通過(guò)內(nèi)膽頂部液態(tài)三氯氫硅進(jìn)口管(14)進(jìn)入多晶硅還原爐頂部，液態(tài)三氯氫硅通過(guò)內(nèi)膽側(cè)壁液態(tài)三氯氫硅進(jìn)口管(15)進(jìn)入多晶硅還原爐內(nèi)膽側(cè)壁，還原爐底盤(4)、還原爐鐘罩(I)分別通過(guò)底盤冷卻水進(jìn)口和爐體冷卻水入口通入冷卻水，且底盤冷卻水出口和爐體冷卻水出口分別與需熱系統(tǒng)相連接。如圖2所示，在帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐下面連接有底盤排氣總管(19)，底盤排氣總管(19)連接冷凝器(26)，冷凝器連接儲(chǔ)罐(27)，儲(chǔ)罐(27)上設(shè)置有儲(chǔ)罐排氣管(28);儲(chǔ)罐(27)經(jīng)過(guò)泵(29)連接至尾氣回收液進(jìn)口管線(24);在尾氣回收液進(jìn)口管線(24)上設(shè)置有文丘里引射裝置(30)和三氯氫硅液體引射管線(31)。具體實(shí)施例如圖I所示，帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的操作流程(I)首先開啟底盤進(jìn)氣總管(11)以及底盤排氣總管(19)；(2)其次在還原爐的爐體、還原爐底盤同時(shí)通入冷卻水，將液態(tài)三氯氫硅通過(guò)底盤液態(tài)三氯氫硅進(jìn)口管(13)通入多晶硅還原爐底盤冷卻氣盒(16)，底盤冷卻氣盒(16)的外徑較多晶娃還原爐內(nèi)膽直徑小IOmm,圓桶的高度為5cm,圓桶的壁厚為O. 5cm ；(3)再將提純的SiHCl3與H2按一定比例混合，然后將混合氣從底盤進(jìn)氣管(5)通入多晶娃還原爐；(4)啟動(dòng)還原爐的供電系統(tǒng)對(duì)娃芯加熱,并保持娃芯的溫度在1150°C,還原爐內(nèi)壓力為O. SMpa0當(dāng)硅芯表面的溫度達(dá)到SiHCl3與H2反應(yīng)的條件時(shí)，混合氣開始發(fā)生還原反應(yīng)，并且反應(yīng)后的硅將沉積到硅芯上，通過(guò)溫度探頭測(cè)溫發(fā)現(xiàn)底盤的溫度始終低于300°C ；(5)反應(yīng)后的尾氣經(jīng)底盤出氣管(6)排出，尾氣的溫度控制在450°C ±20，直到硅芯的直徑生長(zhǎng)到200mm以上時(shí)，停止供電，并等到硅芯冷卻后，取出硅芯；如圖2所示，帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐尾氣回收液冷卻裝置的操作方法如下多晶硅還原爐內(nèi)膽(2)內(nèi)部產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)地盤排氣管(6)排出，內(nèi)膽(2)與鐘罩(I)之間產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)內(nèi)膽與鐘罩之間的排氣管(25)排出，兩股尾氣匯合后進(jìn)入底盤排氣總管(19)排出還原爐后，經(jīng)過(guò)冷凝器(26)冷凝后進(jìn)入儲(chǔ)罐(27)，未冷凝的氣體從儲(chǔ)罐排氣管線(28)排出進(jìn)入后續(xù)處理工段，經(jīng)冷凝降溫后的液體作為還原爐內(nèi)膽的冷卻液經(jīng)過(guò)泵(29)打入還原爐冷卻液進(jìn)口管線(24);同時(shí)在尾氣回收液進(jìn)入還原爐前安裝文丘里引射裝置(30)，將爐內(nèi)的部分三氯氫硅液體經(jīng)三氯氫硅液體引射管線(31)引射至尾氣回收液進(jìn)口管線(24)，二者混合后進(jìn)入還原爐內(nèi)膽(2 )與鐘罩(I)之間的空間，對(duì)內(nèi)膽(2 )進(jìn)行冷卻，冷卻液在高溫環(huán)境下變成氣體，經(jīng)過(guò)內(nèi)膽與鐘罩之間的出氣管(25)進(jìn)入底盤排氣總管
(19)，內(nèi)膽內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多晶硅，尾氣經(jīng)過(guò)底盤出氣管(6)進(jìn)入底盤排氣總管(19 )，整個(gè)過(guò)程爐內(nèi)尾氣進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。傳統(tǒng)多晶硅還原爐以水或熱油作為冷卻劑，冷卻鐘罩、底盤和電極等，硅棒向壁面輻射了大量的能量，而這些能量最終被冷卻水或冷卻油帶走，這是造成多晶硅還原爐能耗巨大的主要原因；帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐，由于內(nèi)膽的保溫隔熱效果，大大減少了硅棒向壁面的熱輻射，同時(shí)用液態(tài)三氯氫硅來(lái)冷卻內(nèi)膽，這樣可以大大降低還原爐的能耗，能耗較傳統(tǒng)多晶硅還原爐的能耗降低20% ;本發(fā)明的帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置和方法，是將冷卻內(nèi)膽用的三氯氫硅循環(huán)使用，減少了三氯氫硅的使用量，該裝置和工藝使得還原爐的能耗繼續(xù)降低，比不使用循環(huán)三氯氫硅的帶內(nèi)膽多晶硅還原爐能耗降低5%。
以上所述實(shí)例僅是充分說(shuō)明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人 員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置，其特征在帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐下面連接有底盤排氣總管(19)，底盤排氣總管(19)連接冷凝器(26)，冷凝器連接儲(chǔ)罐(27)，儲(chǔ)罐(27)上設(shè)置有儲(chǔ)罐排氣管(28);儲(chǔ)罐(27)經(jīng)過(guò)泵(29)連接至尾氣回收液進(jìn)口管線(24);在尾氣回收液進(jìn)口管線(24)上設(shè)置有文丘里引射裝置(30)和三氯氫硅液體引射管線(31)。
2.權(quán)利要求I的帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻方法，其特征是多晶硅還原爐內(nèi)膽(2)內(nèi)部產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)地盤排氣管(6)排出，內(nèi)膽(2)與鐘罩(I)之間產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過(guò)內(nèi)膽與鐘罩之間的排氣管(25)排出，兩股尾氣匯合后進(jìn)入底盤排氣總管(19)排出還原爐后，經(jīng)過(guò)冷凝器(26)冷凝后進(jìn)入儲(chǔ)罐(27)，未冷凝的氣體從儲(chǔ)罐排氣管線(28)排出進(jìn)入后續(xù)處理工段，經(jīng)冷凝降溫后的液體作為還原爐內(nèi)膽的冷卻液經(jīng)過(guò)泵(29)打入還原爐冷卻液進(jìn)口管線(24);同時(shí)在尾氣回收液進(jìn)入還原爐前安裝文丘里引射裝置(30)，將爐內(nèi)的部分三氯氫硅液體經(jīng)三氯氫硅液體引射管線(31)引射至尾氣回收液進(jìn)口管線(24)，二者混合后進(jìn)入還原爐內(nèi)膽(2)與鐘罩(I)之間的空間，對(duì)內(nèi)膽(2)進(jìn)行冷卻，冷卻液在高溫環(huán)境下變成氣體，經(jīng)過(guò)內(nèi)膽與鐘罩之間的出氣管(25)進(jìn)入(19)，內(nèi)膽內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多晶硅，同時(shí)尾氣經(jīng)過(guò)底盤出氣管(6)也進(jìn)入底盤排氣總管(19)，整個(gè)過(guò)程爐內(nèi)尾氣進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置及方法。在帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐下面連接有底盤排氣總管，底盤排氣總管連接冷凝器，冷凝器連接儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐上設(shè)置有儲(chǔ)罐排氣管；儲(chǔ)罐經(jīng)過(guò)泵連接至尾氣回收液進(jìn)口管線；在尾氣回收液進(jìn)口管線上設(shè)置有文丘里引射裝置和三氯氫硅液體引射管線。與傳統(tǒng)多晶硅還原爐相比，內(nèi)膽雙層結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的底盤結(jié)構(gòu)可以大大降低硅棒向鐘罩內(nèi)壁的能量輻射，鐘罩內(nèi)壁由于溫度較低不會(huì)沉積硅粉，保持了鐘罩內(nèi)壁的拋光效果，還可以減少多晶硅還原爐鐘罩冷卻水的通入量。節(jié)能型多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻內(nèi)膽工藝減少了還原爐內(nèi)三氯氫硅冷卻液用量，減少了尾氣處理量，最終降低了能耗。
文檔編號(hào)F27D17/00GK102674359SQ20121014188
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者劉春江, 周陽(yáng), 段連, 段長(zhǎng)春, 袁希鋼, 黃哲慶 申請(qǐng)人:天津大學(xué)