专利名称：生产粒状多晶硅的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生产高纯粒状多晶硅的方法及装置，更具体地涉及一种流化床工艺生产粒状多晶硅的方法及装置。
背景技术：
多晶硅生产工艺除了传统的改良西门子法之外，还有流化床法、物理法等。由于流化床工艺能耗更低，其也被看作是改良西门子法多晶硅生产工艺最有力的替代。流化床工艺是将加热后的多晶硅颗粒作为籽晶输送到反应区，在反应区通入含硅气体或/和氢气， 含硅气体或/和氢气在多晶硅颗粒表面发生热分解或还原，产生单质硅并沉积在颗粒表面；在反应器下部将部分粒径为0. 1 IOmm的多晶硅颗粒作为产品取出；在反应区上部， 加入作为晶种的直径为0. 01 1. Omm的多晶硅细颗粒以维持反应器内多晶硅颗粒的量。该发明技术具有反应器连续操作且运行周期长、能耗低等优点。但普通流化床工艺在生产粒状多晶硅的过程中会产生粒径极细的硅粉(粒径小于10 μ m。在基于卤代硅烷反应系统的流化床内，细硅粉易吸附卤代硅烷并随产品粒状多晶硅排出，造成最终产品中卤素杂质超标，同时由于细硅粉的生成，须控制流化床反应器内的进气量，降低细硅粉被尾气夹带之流化床后端管道内所造成的危害，这导致产品粒状多晶硅的平均粒径下降，反应器产率降低。为了提高流化床产率并提高产品粒径，本发明采取加大原料气和辅助气进料量的方式，使进气量达到最小流态化速度的40 50倍，从而一方面获得粒径更大的产品粒状多晶硅，而另一方面将生成的细硅粉带入流化床顶部扩大段，降低由于卤代硅烷吸附造成的产品杂质污染，而为了避免细硅粉进入后端管道，在流化床顶部扩大段增设卤化氢进料管， 通入卤化氢气体，使细硅粉在高浓度卤化氢气体内被反应重新生成卤代硅烷并随尾气排出反应器，可达到元素循环利用的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生产高纯粒状多晶硅的方法及其相关装置，该方法通过在流化床顶部扩大段通入卤化氢气体将反应器内生成的细硅粉反应生成卤代硅烷，增加流化床原料进气量，从而使反应器达到更大的产率，并消除细硅粉对产品及系统的危害。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下—种采用流化床工艺生产高纯粒状多晶硅的方法，其特征在于它在流化床反应器底部原料进气口通入氢气与含硅气体作为原料混合气并由辅助气进气口通入氢气作为流态化气体，原料混合气与辅助气通过气体分布盘进入流化床内；硅籽晶由位于流化床上部的硅籽晶加料口加入流化床内，反应生成的粒状多晶硅由下部的粒状硅出料口排出；在硅籽晶加料口以上的位置通过卤化氢进气管通入卤化氢气体，与被夹带至扩大段的细硅粉进行反应生成卤代甲硅烷并随尾气从尾气出口排出。
其中，所述含硅气体优选地为商代甲硅烷，特别优选地为三氯甲硅烷或三溴甲硅焼。其中，所述原料混合气中氢气与所述含硅气体的摩尔比为1 0.4 1 5，原料混合气被加热至250 350°C后通入流化床反应器。其中，所述作为流态化气体的氢气被加热至400 1000°C后通入流化床反应器。其中，所述含硅气体和所述氢气中所含的杂质分子比例小于0. Ippm0其中，所述硅籽晶具有不低于目标产品的纯度和电阻率，粒径为10 1000 μ m。其中，所述流化床反应器下部直筒段温度为700 1000°C。其中，所述流化床反应器内压力为0. 1 lObar，优选地为0. 8 2bar。其中，所述由卤化氢进气管通入的卤化氢气体优选地为氯化氢或溴化氢，所述卤化氢进气管的位置在扩大段温度区间为250 550°C的范围内，优选地为300 400°C范围。其中，所述卤化氢进气管通入的卤化氢气体温度范围为50 550°C，优选地为 150 350 。一种用于生产高纯粒状多晶硅的流化床装置，其特征在于它的壳体分为下部直筒段和上部扩大段，直筒段底部设有气体分布盘，气体分布盘底部连接原料气进气口、辅助气进气口以及粒状硅出料口 ；壳体上部侧方设有硅籽晶加料口和卤化氢进气管，顶部设有尾气出口。其中，所述壳体内部设有加热设备，优选地采用电加热线圈或辐射加热。其中，所述壳体的直筒段内壁设有石墨内衬。其中，所述石墨内衬表面优选地镀有高硬度涂层，优选地采用氮化硅、碳化硅、氮化硼或氮化钛等材料制备涂层。其中，所述气体分布盘表面优选地镀有高硬度涂层，优选地采用氮化硅、碳化硅、 氮化硼或氮化钛等材料制备涂层。其中，所述籽晶加料口设在壳体上部，优选地设在壳体直筒段顶部，加料口内优选地镀有高硬度涂层，优选地采用氮化硅、碳化硅、氮化硼或氮化钛等材料制备涂层。其中，所述卤化氢进气管设在壳体上部，位于所述硅籽晶加料口上方，优选地设在壳体扩大段处。其中，所述卤化氢进气管连接在所述壳体内部环管上，所述环管内侧均勻设有喷嘴，所述喷嘴方向为水平或斜向上。其中，所述壳体扩大段内壁材质及所述环管材质采用高硬度耐腐蚀合金制成。有益效果采用本发明所述的方法及装置生产粒状多晶硅，与现有技术相比，具有以下优点1)提高了流化床反应器的进料量，获取更大粒径的粒状多晶硅，提高单台设备的产率；2)降低产品中卤素杂质污染，提高产品纯度；3)消除细硅粉夹带至流化床后端管道而产生的危害。
图1是本发明所涉及的流化床生产粒状多晶硅过程示意图。其中，1、壳体；2、原料气进气口 ；3、辅助气进气口 ；4、粒状硅出料口 ；5、气体分布盘；6、粒状多晶硅；7、硅籽晶加
4料口 ；8、卤化氢进气管；9、细硅粉；10、尾气出口。图2是本发明所涉及的卤化氢进气环管结构示意图。其中，801、环管；802、喷嘴。
具体实施例方式以下通过具体的实施例并结合附图对本发明中的方法及装置进行详细说明，但这些实施例仅仅是例示的目的，并不旨在对本发明的范围进行任何限定。实施例参见图1，图1是本发明中涉及的流化床生产粒状多晶硅过程示意图。它包括壳体1、原料气进气口 2、辅助气进气口 3、粒状硅出料口 4、气体分布盘5、粒状多晶硅6、硅籽晶加料口 7、卤化氢进气管8、细硅粉9和尾气出口 10。壳体1下部直筒段底部固定在气体分布盘5上，气体分布盘5下部连接原料气进气口 2和辅助气进气口 3，加热至约300°C的原料混合气通过原料气进气口 2进入流化床内，加热至约700 800°C的纯氢气通过辅助气进气口 3经过气体分布盘5的内部孔道进入流化床内，直筒段上部侧面连接硅籽晶加料口 7，加热至约700 900°C的纯度约为8 9N， 粒径为100 500μπι的硅籽晶由硅籽晶加料口 7通入流化床，与气体在直筒段内接触并形成流态化床层，直筒段内壁加热线圈加热至约1000°C，粒径达到约3 6mm的粒状多晶硅6 从粒状硅出料口 4排出流化床反应器；壳体1上部扩大段侧面连接卤化氢进气管8，顶部连接尾气出口 10，卤化氢进气管8连接位于扩大段内部的环管801，加热至约300°C的卤化氢气体通入卤化氢进气管8进入如图2所示的环管801并由喷嘴802喷入扩大段内，与被夹带至扩大段的细硅粉9反应生成卤代硅烷，并与主体气流由尾气出口 10排出。尾气排出后经过分离得到氢气、卤化氢及多种卤代硅烷，可循环利用物料。具体实施条件1)流化床直筒段直径为lm，高6m，扩大段直径为2. 5m,高8m。2)硅籽晶加料口位于直筒段顶部，卤化氢进气管位于扩大段距顶部5m处。3)流化床内压力为^ar。4)原料混合气采用三氯甲硅烷与氢气混合，三氯甲硅烷流量为5m3/h，氢气流量为 10m3/h，辅助气体采用纯氢气，流量为20m3/h。5)顶部通入氯化氢气体，流量约为20m3/h。6)硅籽晶采用纯度为9N的多晶硅制备，粒径为150 500 μ m。7)流化床启动时先通入辅助气体，对FBR内进行吹扫和升温，辅助气体流量最终调节至20m3/h。从硅籽晶加料口加入籽晶，稳定后开启流化床直筒段的电加热组件进行加热，温度升至约1000°C时，开始通入原料混合气并在顶部开始通入氯化氢，待流化床直筒段内顶部与底部压差稳定后可开始从出料口取出产品粒状硅。连续稳定生产100小时，总共投入籽晶约100kg，由出料口中得到约230kg产品，单程转化率约为21%，产品平均粒径为 4 5mm，总产量约为130kg，单位电耗约为^kWh/kg，纯度为8N。运行100小时后检测后端管道，无硅粉沉积。上述实施例中，使用较大的流化床进气量将反应形成的细硅粉带至流化床扩大段，并通入高浓度氯化氢与细硅粉反应，消除细硅粉对后端管道的危害，同时获得粒径较大的产品粒状多晶硅，并且由于消除了吸附有较多氯硅烷的细硅粉夹杂在产品中，所获得的产品纯度也较高。 尽管上文对本发明的具体实施方式
给予了详细描述和说明，但是应该指明的是， 可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种采用流化床工艺生产粒状多晶硅的方法，包括向流化床反应器内通入作为原料气体的含硅气体和氢气，以及所述原料气体在加有籽晶的流化床反应器内部反应生成粒状多晶硅的步骤，其特征在于所述流化床反应器的上部扩大段部分设有含卤气体进气口，所述含卤气体与被夹带至扩大段的细硅粉反应生成卤代甲硅烷并随尾气从尾气出口排出。
2.根据权利要求1所述的生产粒状多晶硅的方法，其特征在于所述原料气体由流化床反应器底部原料气进气口通入，作为辅助气的氢气或惰性气体由辅助气进气口通入，所述原料气体与所述辅助气通过气体分布盘进入流化床反应器。
3.根据权利要求1所述的生产粒状多晶硅的方法，其特征在于所述含硅气体为氯硅烷、溴硅烷中的任意一种，优选地为三氯甲硅烷、三溴甲硅烷中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的生产粒状多晶硅的方法，其特征在于所述含卤气体为氯气、 氯化氢、溴气、溴化氢中的任意一种，优选地为氯化氢或溴化氢。
5.根据权利要求1所述的生产粒状多晶硅的方法，其特征在于所述流化床反应器内压力为0. 1 lobar。
6.根据权利要求1所述的生产粒状多晶硅的方法，其特征在于所述流化床反应器的下部直筒段内温度为700 1000°C。
7.根据权利要求1所述的生产粒状多晶硅的方法，其特征在于所述含卤气体进气管的位置设在流化床反应器的上部扩大段温度区间为250 550°C的范围内，优选地为300 400°C范围。
8.根据权利要求1所述的生产粒状多晶硅的方法，其特征在于所述含卤气体进气管通入的含卤气体温度范围为50 550°C，优选地为150 350°C。
9.一种用于生产粒状多晶硅的流化床装置，其特征在于装置壳体(1)包括下部直筒段和上部扩大段，直筒段底部设有气体分布盘(5)，气体分布盘( 下部连接原料气进气口 O)、辅助气进气口( 以及粒状硅出料口(4)；壳体(1)上部扩大段设有硅籽晶加料口(7) 及含卤气体进气管(8)，壳体(1)顶部设有尾气出口(10)。
10.根据权利要求9所述的流化床装置，其特征在于所述硅籽晶加料口(7)优选地位于所述壳体(1)直筒段顶部或扩大段底部。
11.根据权利要求9所述的流化床装置，其特征在于所述含卤气体进气管(8)位于所述籽晶加料口(7)以上的位置，优选地设在所述壳体(1)扩大段上。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述含卤气体进气管(8)连接在所述壳体(1)内部环管(801)上，所述环管(801)内侧均勻设有喷嘴(802)，所述喷嘴(802)方向为水平或斜向上。
全文摘要
本发明公开了一种采用流化床工艺生产粒状多晶硅的方法及装置，通过将氯化氢从流化床顶部扩大段通入流化床反应器，所述氯化氢与生产粒状硅过程中生成的细硅粉反应生成气体氯硅烷，从而消除细硅粉进入流化床后端管道对系统产生危害的风险，同时消除了细硅粉夹带，从而提高流化床进气流量以提高反应器单位产能，降低生产成本；同时顶部通入的氯化氢与细硅粉反应生成氯硅烷，实现反应器内一定量的氯循环。
文档编号C01B33/03GK102530951SQ201010603238
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者陈涵斌 申请人:江苏中能硅业科技发展有限公司