多晶硅生产工艺及系统的制作方法

本发明涉及多晶硅生产领域，特别是涉及多晶硅生产制造工艺及系统。

背景技术：

多晶硅是半导体产业和新兴的太阳能光伏发电产业的最主要和最重要的材料。多晶硅生产是一个高耗能的产业，如何改进工艺降低生产成本已成为各企业是否可持续发展的重点。作为多晶硅生产中仅次于多晶硅还原工序的耗能大户冷氢化工序，其内部的一次氢化转化率的提高在全系统的节能降耗上占据较大的比重。

2014年9月3日公告的中国专利第CN103101913号揭露了一种多晶硅生产系统及方法，其提供的多晶硅生产系统包括氢化反应装置，用于使得包括四氯化硅、氢气和硅粉的原料进行冷氢化反应，生成所需的三氯氢硅。所述氢化反应装置包括串联的多级氢化反应器，在工作时，所述的四氯化硅通过四氯化硅预热器、进出气换热器和电加热器加热至600℃后，通入第一级氢化反应器进行反应，其生成混合气体包括三氯氢硅、四氯化硅、及少量硅粉固体颗粒。反应生成气进入第二级硅粉过滤器，过滤第一级氢化反应器反应生成气中的残余硅粉，后送入第二级氢化反应器。依次，反应生成气通过多级氢化反应器和其每相邻两级氢化反应器之间的第二级硅粉过滤器，最后氢化反应装置排出的总反应生成气通过第一级硅粉过滤器，过滤掉残余硅粉，送入进出气换热器、四氯化硅预热器进行换热，再送入冷凝单元冷凝成氯硅烷液体，最后送入分离单元分离。

上述多晶硅生产系统中，随着氢化反应器的串联级数增加，由于较高的四氯化硅转化率，致使生成气中，四氯化硅逐渐减少，三氯氢硅含量逐渐增多。四氯化硅含量的减少，降低了后级氢化反应器中的反应效率；同时，后级氢化反应器内三氯氢硅与四氯化硅比例增大，由于反应有可逆性，则在一定程度上抑制了四氯化硅反应生成三氯氢硅的转化率。

【

技术实现要素：
】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种更高效的多晶硅生产工艺。

为解决上述技术问题，本发明揭露以下技术方案：提供一种多晶硅生产工艺，包括如下步骤:

将原料四氯化硅加热汽化并与原料氢气按比例混合成汽化处理后气体；

提供一氢化反应装置，该氢化反应装置包括用于接收汽化处理后气体的第一级氢化反应器，及与第一级氢化反应器串联的次级氢化反应器；

将汽化处理后气体注入氢化反应装置中使四氯化硅与氢气在各氢化反应器中依次进行冷氢化反应，生成包含有三氯氢硅的总反应生成气；

将总反应生成气中的三氯氢硅冷凝分离出来；

其中，所述工艺还包括在冷氢化反应发生时将汽化后的四氯化硅直接补充到次级氢化反应器中。

进一步地，所述氢化反应装置包括依次串联的多级氢化反应器，所述各级氢化反应器内的压力随级数的增加而递减，各相邻两级氢化反应器之间的压力差相等。

进一步地，所述氢化反应装置还包括用于控制各氢化反应器内压力的压力调节阀，各压力调节阀上的压力值之间通过压力联锁相互关联。

进一步地，所述压力调节阀用于向各次级氢化反应器中补充四氯化硅与氢气混合气体。

进一步地，所述相邻两级氢化反应器之间的压力差通过压力调节阀保持恒定。

进一步地，所述各级氢化反应器的容积逐渐增大。

进一步地， 所述各次级氢化反应器中所加入的四氯化硅的比例随着级数的增加而增加。

本发明所要解决的技术问题还在于提供一种更高效的多晶硅生产系统。

为解决上述技术问题，本发明揭露以下技术方案：提供一种多晶硅生产系统，该系统包括氢化反应装置，用于使得包括四氯化硅、氢气和硅粉的原料进行冷氢化反应，以生成所需的三氯氢硅，所述氢化反应装置包括第一级氢化反应器及与之串联的多个次级氢化反应器，所述四氯化硅通过电加热器加热后进入第一级氢化反应器，其特征在于：所述多晶硅生产系统还进一步包括与各级氢化反应器连通的压力调节阀，所述四氯化硅还被分成若干份后通过压力调节阀进入各次级氢化反应器，所述各级氢化反应器内的压力与各级氢化反应器的压力调节阀上的压力之间有设定压力联锁。

进一步地，所述各级氢化反应器中的压力随级数的增加而递减。

进一步地，所述相邻两级氢化反应器之间的压力差通过补充四氯化硅的压力调节阀保持稳定。

相较于现有技术，符合本发明的多晶硅生产工艺及系统具有更高的产出率，更加节能。

【附图说明】

图1为现有技术揭示的多晶硅生产系统结构示意图。

图2为符合本发明的多晶硅生产工艺及系统的结构示意图。

【具体实施方式】

如图1所示为现有技术所揭露的多晶硅生产系统流程，其中包括氢化反应装置100，该装置用于使得包括四氯化硅、氢气和硅粉的原料进行冷氢化反应，以生成所需的三氯氢硅。氢化反应装置100包括第一级氢化反应器111及与之串联的多个次级氢化反应器112，113，在工作时，四氯化硅顺序经过每一级氢化反应器，并在其中分别进行冷氢化反应，最后生成包含三氯氢硅的总反应生产气。

为了防止总反应生成气中的硅粉在后续处理中堵塞或磨损管道及设备，图1还同时揭示了设置在氢化反应装置100之后的第一级硅粉过滤器105，设置在第一级氢化反应器111与第二级氢化反应器112之间的第二级硅粉过滤器121，以及设置在第二级氢化反应器112与第三级氢化反应器113之间的第二级硅粉过滤器122，第一级硅粉过滤器105及第二级硅粉过滤器122用于过滤掉上一级反应器中残余的硅粉。在氢化反应装置100中，原料中的四氯化硅和氢气依次经过各级氢化反应器，与每一级氢化反应器中的硅粉发生氢化反应。

原料四氯化硅一般是以液态形式储存或提纯出来的，因此上述系统包括将原料中液态的四氯化硅汽化成气态的四氯化硅汽化器102。原料中的氢气可以在四氯化硅汽化器102中按预定的比例与四氯化硅混合，一起作为汽化处理后气体被排出四氯化硅汽化器102。上述系统还包括电加热器104，从四氯化硅汽化器102中出来的汽化处理后气体在电加热器104中加热到进行冷氢化反应所需的温度后送入氢化反应装置100的第一级氢化反应器111内。上述氢气与四氯化硅的搭配比例以及冷氢化反应温度均是本领域技术人员所熟知的。在四氯化硅汽化器102之前设置四氯化硅预热器101，使得原料液体四氯化硅在进入四氯化硅汽化器102之前，先在四氯化硅预热器101中预热。同样，原料中的氢气经氢气预热器108预热后再进入四氯化硅汽化器102中与四氯化硅混合。上述系统还包括冷凝单元106，用于接收来自所述四氯化硅预热器101的进行第二次换热后的总反应生成气，并对其进行冷凝，以分离出氢气和氯硅烷。另外，分离单元107用于接收来自所述冷凝单元的所述氯硅烷，并将所述氯硅烷中的三氯氢硅和四氯化硅分离开来，其中的四氯化硅可继续进入四氯化硅预热器101再次循环利用。

如图2所示为符合本发明的多晶硅生产工艺流程示意图。在该工艺所使用的系统中，所述次级氢化反应器包括第二级氢化反应器202及与之串联的三级氢化反应器203(显然，根据需要还可以设定第四级、第五级直至第N级氢化反应器)，在相邻两级氢化反应器之间（本实施例是指第一级氢化反应器201与第二级氢化反应器202之间，以及第二级氢化反应器202与第三级氢化反应器203之间）设有第二级硅粉过滤器211,212。在第三级氢化反应器203之后设有第一级硅粉过滤器205，在第一级硅粉过滤器之后设有进出气换热器203。四氯化硅汽化器202通过进出气换热器203与电加热器204连接。滤除硅粉后的总反应生成气与来自四氯化硅汽化器202的包含氢气和四氯化硅的汽化处理后气体在进出气换热器203中进行第一次换热。通过第一次换热，汽化处理后气体被加热升温，然后进入电加热器204中继续加热。总反应生成气被冷却降温，可以直接进入冷凝单元206中进行冷凝处理。也可以进入四氯化硅预热器201中，再与四氯化硅液体进行第二次换热，以对四氯化硅液体进行预加热，预加热后的四氯化硅再送入四氯化硅汽化器202中汽化。

原料四氯化硅依次通过四氯化硅预热器201预热，通过四氯化硅汽化器202汽化，再通过进出气换热器203换热，最后进入电加热器204。与现有技术不同的是，本发明电加热器204中出来的四氯化硅气体被配置成一定的流量比例，分别通入除第一级氢化反应器201以外的次级氢化反应器202,203中，参与反应。其中第一级氢化反应器201中进入的四氯化硅和氢气的混合气体较多，次级氢化反应器中作为辅助材料来补充的上述混合气体较少。同时各级氢化反应器生成气体仍然通过第二级硅粉过滤器211,212，滤掉残余硅粉，进入下一级氢化反应器。最后第三级氢化反应器203生成气通过第一级硅粉过滤器205滤掉残余硅粉，送入进出气换热器203、四氯化硅预热器201进行换热，充分利用热能后再送入冷凝单元206冷凝成氯硅烷液体，最后送入分离单元207分离。其中，各级氢化反应器与各级氢化反应器补充四氯化硅与氢气混合气体的进料压力调节阀220的压力P之间的联锁PID(Proportion Integration Differentiation)控制，使得各氢化反应器种的压力相互关联，保持稳定的压力差有助于氢化反应器内的气体按预定方向和流速流动。

在第一实施例中，第二级氢化反应器202与第三级氢化反应器203的容积是相同的，在压力调节阀220的控制下各级氢化反应器内压力依次递减，同时还控制了四氯化硅与氢气混合气体送入第二级氢化反应器及第三级氢化反应器的补充量，由于压力调节阀220保持了上述各级氢化反应器之间的压力差，使得氢化反应器内各流化床状态最佳，出料速率合理平稳。

由于各级氢化反应器内三氯氢硅与四氯化硅摩尔比逐渐增大，同时，四氯化硅与氢气摩尔比逐渐减小，通过压力调节阀220控制补充四氯化硅送入第二级氢化反应器202及第三级氢化反应器203内的物料流量依次增加。优选地，控制第二级氢化反应器补充四氯化硅流量与电加热器送入第一级氢化反应器总物料流量的比例范围在3.5%至4.5%之间，同时，控制第三级氢化反应器补充四氯化硅流量与电加热器送入第一级氢化反应器的总物料流量的比例范围在4%至6%，并且控制第四级氢化反应器补充四氯化硅流量与电加热器送入第一级氢化反应器总物料力量的比例范围在7%~9%，可以达到较好的转化效率。

在第二实施例中，可通过控制各级氢化反应器的容积依次递增来实现各级氢化反应器内压力的依次递减，同时，控制后级氢化反应器进料在一定比例可使得各级氢化反应器内物料饱和度及氯硅烷与氢气比例在预定范围。此时，各后级氢化反应器内补充四氯化硅物料量较相同容积的后级氢化反应器范围更大，相应的其三氯氢硅转化率较同容积氢化反应器更高。另外，若配合其它加热设备，如有若干四氯化硅和氢气以不同比例混合加热后，分别通入各后级氢化反应器，其三氯氢硅转化率将会进一步提高。本发明通过控制送入各级氢化反应器内四氯化硅汽化料量，补充提升后级氢化反应器内四氯化硅料量，充分利用后级氢化反应器空间，提升反应效率。同时，改变后级氢化反应器三氯氢硅与四氯化硅比例，提升四氯化硅转化效率。