用于制备高纯度多晶硅颗粒的流化床提升管反应器及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化工设备和化工技术领域，尤其涉及一种用于制备高纯度多晶硅颗粒的循环流化床提升管反应器及方法。
【背景技术】
[0002]多晶硅被广泛应用于半导体和光伏产业。近年来随着光伏产业的迅猛发展，全世界对多晶硅的需求量快速增长，2012年多晶硅产量达17万吨，其中光伏产业消耗占比高达85%。多晶硅生产技术是光伏产业链中最重要的一环，而环保和能耗问题一直是多晶硅产业的瓶颈。
[0003]目前国际上生产多晶硅的主要工艺是改良西门子法，其产能约占世界总产能的80%。改良西门子法又称闭环式三氯氢硅氢还原法，是通过工业硅粉与气态氯化氢的合成反应，生成由三氯氢硅、四氯化硅和二氯氢硅及其他杂质组成的混合物，经精馏提纯后得到高纯度的精制三氯氢硅，精制三氯氢硅在还原炉内进行化学气相沉积(CVD)反应生产高纯多晶娃。
[0004]改良西门子法具有技术成熟、操作相对安全、产品纯度高等优点，但也存在能耗高、效率低下、生成成本高等缺点。相较于改良西门子法的钟罩式反应器，流化床反应器(FBR)具有传质传热速率快、沉积表面积大、结构简单、能耗低和适于大规模连续化生产等优点，得到的粒状多晶硅也能直接用于直拉单晶，减少了产品后处理过程，符合当今时代强调节能减排的理念，已逐渐成为化学气相沉积制备多晶硅的主流反应器。但是，常规的流化床反应器也存在一些缺点，比如容易发生均相化学气相沉积反应产生粉尘，产品纯度不高等。另外由于常规流化床反应器大多采用反应器壁直接加热，反应生成的硅容易沉积在反应器内壁上，使反应器壁面传热系数下降。而且由于有些反应器材料(比如石英)的热膨胀系数与多晶硅差别较大，当壁面沉积的多晶硅达到一定厚度时，会造成反应器破裂，给操作安全带来隐患。
[0005]目前已有多项针对化学气相沉积方法制备多晶硅的流化床反应器专利。其中US3012861、US3012862、US4424199和US5139762等采用反应器壁直接加热方式，CN103449442A采用旋风分离器对流化床顶部尾气进行气固分离并将固相送回流化床，但加热方式仍采用流化床反应器壁直接加热，这些专利存在上述粉尘生成和壁面沉积等问题。US4684513和CN103990422A采用流化床内浸式加热，虽降低了反应器壁面沉积的风险，但容易产生内浸加热元件表面沉积问题。US5374413、US5382412和CN103495366A采用微波加热方式，这种方法可选择性加热硅粉颗粒，能有效减少粉尘生成和壁面沉积，但微波场在反应器中的控制难度较大。US4416913、US4992245和CN101780956B在流化床内设置套管，套管与反应器内壁间的环隙为加热区，套筒内部为反应区，前两个采用外加热方式，第三个采用环隙间内浸式加热，这些方式虽有助于减少粉尘生成，但难以实现对套筒内外硅粉颗粒流动的可靠控制。US4684513将流化床反应器分为上下两部分加热区域，80%左右的热量由上部加热区域输入，上部温度控制在650?800°C，下部温度控制在450?650°C。这种加热方式也有助于降低粉尘生成，但并不能有效改善壁面沉积问题。CN101318654B将流化床反应器加热区和反应区在结构上相互隔开，在加热区通入流化气体，多晶硅颗粒在加热区被流化和加热，加热后的多晶硅颗粒输送到反应区，在反应区通入含硅气体并发生反应，生成的单质硅沉积在多晶硅颗粒表面，由于多晶硅颗粒在加热区加热时，流化气体会带走大量热，热效率较低，且未从根本上解决粉尘生成问题。CN102502646B采用旋风分离器分离尾气和硅粉颗粒，分离后的硅粉颗粒输送至储料罐中被加热，这种加热方式容易造成硅粉颗粒受热不均，从而使反应效率下降。
[0006]因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于制备高纯度多晶硅颗粒的循环流化床提升管反应器及方法，以减少粉尘生成和壁面沉积，得到的产品纯度高，生产效率也得到了提尚。
【发明内容】
[0007]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供了一种用于制备高纯度多晶硅颗粒的循环流化床提升管反应器及方法，硅粉颗粒在提升管反应器和旋风分离器之间循环进行反应-加热过程，可以减少粉尘生成和壁面沉积，同时具有产品纯度高，结构简单，能耗低等优点。
[0008]为实现上述目的，本发明提供了一种用于制备高纯度多晶硅颗粒的循环流化床提升管反应器，包括提升管反应器、旋风分离器、产品收集器及各连接管路；其中提升管反应器包括提升管、气体分布器、含娃气体加入口、流化气体加入口、气固输运管路入口及固相输运管路出口 ；旋风分离器设有加热装置、硅种加入口、尾气出口、气固输运管路出口及固相输运管路入口；气固输运管路和固相输运管路连接在提升管反应器和旋风分离器之间；产品收集器设在尾接管底部或设在旋风分离器下部；其中，提升管反应器不设加热装置，是硅粉颗粒流化及气力输送和发生化学气相沉积反应的场所；旋风分离器设有加热装置，是硅粉颗粒与尾气发生气固分离和硅粉颗粒加热的场所；提升管反应器上方出口通过气固输运管路与旋风分离器上方入口连通；旋风分离器下方出口通过固相输运管路与尾接管连通。
[0009]进一步地，气体分布器由帽罩和圆台形分布板构成，两者围成的空间为气体缓冲区；帽罩上设有含硅气体加入口 ；圆台形分布板上均匀开气体分布孔，优选地，气体分布孔按正三角形方式开孔，孔径为I?50mm，开孔率为5?50%，圆台形分布板上底面和下底面内径比为1.1?10:1 ;
[0010]气体分布器下方设有尾接管，其内径与圆台形分布板下底面内径相等；固相输运管路出口连通至尾接管内管心线位置，流化气体加入口末端设有流化气体分布器且位于固相输运管路出口的正下方。提升管位于气体分布器的上方，其内径与圆台形分布板上底面内径相等，提升管高径比为2?50:1。
[0011]进一步地，旋风分离器为圆柱圆锥形，尺寸由气固输运管路的流量而定，上方设有尾气出口，外部设有加热装置，底部经固相输运管路与尾接管连通；加热装置为电阻加热装置、微波加热装置和电磁感应加热装置中的一种或几种的组合；旋风分离器圆柱段部分设有娃种加入口，经导管伸入圆柱内部，导管出口与圆柱中心线径向距离为1/2?4/5半径。
[0012]进一步地，产品收集器设在尾接管底部或旋风分离器下部。
[0013]优选地，当产品收集器设在尾接管底部时，流化气体加入口设在尾接管侧面；当产品收集器设在旋风分离器下部时，流化气体加入口设在尾接管下底面。
[0014]进一步地，提升管、气体分布器和旋风分离器材料为石英或耐高温金属合金，内衬为多晶硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳化钨(WC)中的一种或不使用内衬。提升管、气体分布器、旋风分离器、气固输运管路和固相输运管路均设有保温层。
[0015]本发明还提供了一种使用如上所述的循环流化床提升管反应器制备高纯度多晶硅颗粒的方法，含硅气体在硅粉颗粒表面发生非均相化学气相沉积反应，生成的单质硅沉积在硅粉颗粒表面；该方法包括以下步骤:
[0016]步骤一、流化气体经流化气体加入口及流化气体分布器通入尾接管，使来自旋风分离器的高温硅粉颗粒流化，形成流化床层；含硅气体或含硅气体与载气的混合物经含硅气体加入口通入帽罩与圆台形分布板围成的缓冲区，再经气体分布孔进入流化床层，使硅粉颗粒流化，含硅气体在硅粉颗粒表面发生非均相化学气相沉积反应，生成的单质硅沉积在硅粉颗粒表面，硅粉颗粒不断长大；
[0017]步骤二、硅粉颗粒在提升管反应器内随流化气体和含硅气体向上气力输送，气固混合物在提升管上方出口经气固输运管路进入旋风分离器，硅粉颗粒与尾气实现分离，尾气经尾气排出口排出，硅粉颗粒沿旋风分离器的内壁螺旋式向下运动并被加热装置加热至反应温度；
[0018]步骤三、硅种经硅种加入口加入旋风分离器，与来自提升管反应器的硅粉颗粒一起被加热装置加热至反应温度；
[0019]步骤四、加热后的高温硅粉颗粒在旋风分离器底部经固相输运管路返回提升管反应器，实现硅粉颗粒在提升管反应器和旋风分离器之间循环进行反应-加热过程，直至颗粒大小达到多晶硅颗