CN118267937A - 一种生产颗粒硅的反应器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生产颗粒硅的反应器和方法，所述反应器包括反应器本体及设置在反应器本体外表面的加热元件，所述反应器本体顶部设置有晶种进料口，所述反应器本体的底板上设置有辅助气进料口、原料气进料口和颗粒硅出料口，所述辅助气进料口呈环形分布，所述原料气进料口和颗粒硅出料口位于辅助气进料口围成的环内。本发明在反应器主体底部的***设置了辅助气进料口，从而当辅助气经辅助气进料口进入反应器本体中时，在反应器本体内形成环形的气帘，可有效起到气帘隔离的作用，从而可以避免原料气反应生成的硅及硅形成从微硅粉沉积到反应器本体内壁上。

Description

一种生产颗粒硅的反应器和方法

技术领域

本发明属于多晶硅制备技术领域，涉及一种生产颗粒硅的生产技术，尤其涉及一种生产颗粒硅的反应器和方法。

背景技术

多晶硅是太阳能光伏发电的主要原料之一，目前主流的多晶硅生产技术为以硅烷气为原料的流化床法，流化床反应器为主要的反应设备，在流化床反应器中，硅烷气热解生成硅，硅沉积在流化状态的晶种表面，晶种不断增大，形成颗粒硅。

美国专利US7029632公开了一种辐射加热流化床反应器，通过反应器内管***的热源给反应区辐射加热，美国专利US4883687示出了另一种外部加热方式的流化床反应器，该流化床反应器通过热传导的方式给反应区提供热量。这种热辐射或热传导的外部加热方式会造成反应器本体内壁的温度大于反应器本体内部物料的温度，易导致硅烷气热解形成的硅沉积在反应器本体的内壁上，阻碍热量向反应器本体内部传递，因此这种加热方式通常会给体系带来较大的能量损失。特别是流化床反应器大型化后，这种矛盾更加突出，反应器本体内壁的温度过高并发生硅沉积，但反应器本体中心温度无法达到硅烷或氯硅烷的分解温度，这样不仅影响流化床反应器的生产效率，还不得不因为反应器本体内壁沉积的硅而停产检修、清理或更换，导致生产能力受到限制。

为了解决反应器本体内壁硅沉积的问题，美国专利US4786477公开了一种微波加热流化床反应器，通过位于反应器外部的微波发生装置，微波加热硅颗粒，这种方法可使得反应器内壁温度比硅粒子温度低，从而一定程度上避免反应器本体内壁硅沉积问题，但这种流化床反应器需要特定的微波发生装置，成本太高，不利于实际应用。

还有一些研究人员，设计了内部加热的流化床反应器，即将加热元件设置在反应器本体内，然而加热元件的温度一般比反应器本体内气相温度和固体颗粒温度高，使得在加热元件上发生硅沉积，最终会导致加热效率降低，甚至会面临不得不停车维修或更换加热元件的问题，从而影响流化床反应器的运行周期，直接影响到流化床反应器的生产能力。

综上所述，现有的流化床反应器无法从根本上解决硅沉积的问题，硅沉积不但影响传热效率，而且会磨损反应器本体内部结构，影响颗粒硅生产的效率和稳定运行周期，减少原料利用率，增加了生产成本。

发明内容

为了解决上述现有技术的问题，本发明提供一种生产颗粒硅的反应器和方法，能从根本上解决反应器本体内壁上的硅沉积问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种生产颗粒硅的反应器，包括反应器本体及设置在反应器本体外表面的加热元件，所述反应器本体顶部设置有晶种进料口，所述反应器本体的底板上设置有辅助气进料口、原料气进料口和颗粒硅出料口，所述辅助气进料口呈环形分布，所述原料气进料口和颗粒硅出料口位于辅助气进料口围成的环内。

优选的，所述辅助气进料口围成的环与反应器本体同轴，辅助气进料口与反应器本体内壁之间的距离为20-200mm。

优选的，所述辅助气进料口设置多个，多个辅助气进料口呈环形分布。

优选的，所述反应器本体的底板包括中空的第一圆锥台和中空的第二圆锥台，第一圆锥台位于第二圆锥台内部，第一圆锥台的上底面面积小于下底面面积，第二圆锥台的上底面面积大于下底面面积，第一圆锥台的下底面呈开口设置，第二圆锥台的上底面呈开口设置，第一圆锥台的底部与第二圆锥台的底部通过平台连接；所述颗粒硅出料口开设在所述平台上，所述辅助气进料口开设在第二圆锥台的侧壁上；所述原料气进料口开设在第一圆锥台上。

优选的，所述加热元件包括第一加热元件和第二加热元件，第一加热元件位于反应器本体的上段，第二加热元件位于反应器本体的中段。

进一步的，所述第一加热元件为电加热带，所述电加热带缠绕在反应器本体外表面上；所述第二加热元件包括60-100根电加热棒，各电加热棒沿反应器本体周向布置。

优选的，所述反应器本体外设置有保温层，所述保温层外设置有炉罩，炉罩上设置有惰性气体入口，所述惰性气体入口用于向炉罩与保温层之间的间隙内通入惰性气体。

优选的，所述原料气进料口和/或辅助气进料口处设置有过滤分布器。

一种生产颗粒硅的方法，基于所述的生产颗粒硅的反应器，包括：

（1）从晶种进料口加入颗粒硅的晶种，从原料气进料口通入原料气，从辅助气进料口通入辅助气；通过加热元件加热反应器本体，使反应器本体内部达到反应温度；

（2）原料气反应生成硅，并沉积在晶种表面形成颗粒硅，形成的颗粒硅从颗粒硅出料口排出。

优选的，所述原料气为硅烷气和氢气的混合气，所述辅助气为二氯二氢硅或者二氯二氢硅和氢气的混合气。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明在反应器主体底部的***设置了辅助气进料口，将原料气进料口和颗粒硅出料口设置在辅助气进料口围成的环内，从而当辅助气经辅助气进料口进入反应器本体中时，在反应器本体内形成环形的气帘，可有效起到气帘隔离的作用，原料气和晶种在气帘围成的中间区域内反应，从而可以避免原料气反应生成的硅及硅形成从微硅粉沉积到反应器本体内壁上，避免由于反应器本体内壁过度沉积硅粉而造成的热传导效率低及损伤反应器本体的问题，且这种设计的流化床反应器不需要额外增加过多的成本，能实际应用。

进一步的，本发明所述辅助气进料口围成的环与反应器本体同轴，且辅助气进料口与反应器本体内壁之间的距离为20-200mm，即所述辅助气进料口贴近反应器本体内壁，辅助气进入后在贴近反应器本体内壁的位置形成气帘，不但能起到隔离的作用，而且还不会对反应器本体内的有效反应区域产生影响。

进一步的，本发明反应器本体底板及颗粒硅出料口和原料气进料口的设置方式，使得原料气进料口的位置高于颗粒硅出料口的位置，可以避免颗粒硅堵塞原料气进口；同时，圆锥台的结构设计，使得颗粒硅产品及微硅粉能沿圆锥台的斜面向下滑动，能很好的避免颗粒硅及微硅粉在原料气进料口周围的堆积和沉积，避免颗粒硅产品堵塞原料气进料口。

进一步的，本发明反应器本体采用中部及上部两段加热的方式，可以提升原料气和晶种的反应时间及区域，提高颗粒硅产品的产出效率，提高了原料及设备的利用率，大幅降低运行成本。

进一步的，本发明反应器本体外设置保温层，保温层外采用炉罩防护，并在炉罩内通入惰性气体，不仅可保护保温材料，同时还可以防止反应器本体泄露造成安全事故，可提升设备的运行安全性。

进一步的，本发明原料气进料口和/或辅助气进料口设置过滤分布器，除能均匀分布气体外，还可以起到过滤颗粒及粉尘的作用，避免颗粒及粉尘进入原料气或辅助气管道中堵塞设备和管道。

本发明所述的生产颗粒硅的方法，将辅助气经辅助气进料口通入反应器本体中，在反应器本体内形成环形的气帘，可有效起到气帘隔离的作用，原料气和晶种在气帘围成的中间区域内反应，从而可以避免原料气反应生成的硅及硅形成从微硅粉沉积到反应器本体内壁上，避免由于反应器本体内壁过度沉积硅粉而造成的热传导效率低及损伤反应器本体的问题，可以实现高效、长周期、稳定、安全可靠的生产颗粒硅，提高反应器生产能力。

进一步的，本发明采用二氯二氢硅或者二氯二氢硅和氢气的混合气作为辅助气，好处是二氯二氢硅较硅烷气难分解，同时相较硅烷气来时，相同量的原料气进气，其二氯二氢硅含硅元素较少，其分解后的硅也相对较少，能减少分解出来的硅沉积在反应器本体内壁上。另外二氯二氢硅热分解过程中会产生氯化氢，氯化氢与反应器内部沉积的硅反应，可减少反应器本体内壁沉积硅，在反应器内壁上形成一个动态的反应平衡，即减少了硅沉积在反应器本体内壁，同时不影响反应器中间核心反应区的硅烷流化床的反应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例中生产颗粒硅的反应器的轴向剖面图；

图2为图1在A-A方向的剖面图；

图3为图1在B-B方向的剖视图。

图中：1为反应器本体，2为晶种进料口，3为辅助气进料口，4为原料气进料口，5为颗粒硅出料口，6为过滤分布器，7为尾气出口，8为第一加热元件，9为第二加热元件，10为保温层，11为炉罩。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

此外，需要说明的是，本发明的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

如图1所示，本发明所述的生产颗粒硅的反应器，包括反应器本体1及设置在反应器本体1外表面的加热元件，所述反应器本体1顶部设置有晶种进料口2，所述反应器本体1的底板上设置有辅助气进料口3、原料气进料口4和颗粒硅出料口5，所述辅助气进料口3呈环形分布，所述原料气进料口4和颗粒硅出料口5位于辅助气进料口3围成的环内；当辅助气经辅助气进料口3进入反应器本体1中时，在反应器本体1内形成环形的气帘。

本发明辅助气进入反应器本体1中时，会在反应器本体1内形成环形的气帘，从而可以将原料气、晶种等与反应器本体1的内壁隔离，防止反应器本体1内的硅沉积到反应器本体1内壁上，避免由于反应器本体1内壁过度沉积硅粉而造成的热传导效率低及损伤反应器本体1的问题。

本发明一些具体实施例中，所述辅助气进料口3围成的环与反应器本体1同轴，优选辅助气进料口3与反应器本体1内壁之间的距离为20-200mm。即所述辅助气进料口3贴近反应器本体1内壁，辅助气进入后在贴近反应器本体1内壁的位置形成气帘，不但能起到隔离的作用，而且还不会对反应器本体1内的有效反应区域产生影响。

本发明一些具体实施例中，所述辅助气进料口3设置多个，多个辅助气进料口3呈环形分布，即多个辅助气进料口3的中心位于同一个环上。所述辅助气进料口3优选为圆形，多个辅助气进料口3的圆心位于同一个圆环上，如图3所示。

本发明一些具体实施例中，所述反应器本体1的底板包括中空的第一圆锥台和中空的第二圆锥台，第一圆锥台位于第二圆锥台内部，第一圆锥台的上底面面积小于下底面面积，第二圆锥台的上底面面积大于下底面面积，第一圆锥台的下底面呈开口设置，且第一圆锥台的底部与第二圆锥台的底部通过平台连接，第二圆锥台的上底面呈开口设置。所述颗粒硅出料口5开设在所述平台上，所述辅助气进料口3开设在第二圆锥台的侧壁上。所述原料气进料口4开设在第一圆锥台的上底面及其侧壁上，优选的第一圆锥台侧壁上的多个原料气进料口4位于同一横截面上，且均匀分布。因此，原料气进料口4的位置高于颗粒硅出料口5的位置，可以避免颗粒硅堵塞原料气进口。

本发明优选在所述平台上均匀布置4-10个颗粒硅出料口5。

本发明一些具体实施例中，所述原料气进料口4和辅助气进料口3处可以选择性设置过滤分布器6，例如静态气体分布器、动态管道气体分布器、金属多孔微分布器，不但可以起到分布气体的作用，同时还可起到过滤颗粒及粉尘的作用，能隔离0.02微米-1毫米颗粒及细粉。

本发明一些具体实施例中，所述反应器本体1顶部设置有尾气出口7，所述尾气出口7处也同样可以设置过滤分布器6，将微硅粉从尾气中分离出来。所述反应器本体1上还可以设置紧急安全排放口。

本发明一些具体实施例中，所述加热元件包括第一加热元件8和第二加热元件9，第一加热元件8位于反应器本体1的上段，第二加热元件9位于反应器本体1的中段，第一加热元件8主要用于晶种的预热，第二加热元件9主要用于原料气和颗粒硅的加热，使反应器本体内壁的核心反应区的温度维持在正常的控制范围内，从而实现两段加热，提升原料气和晶种的反应时间及区域，提高颗粒硅产品的产出效率，提高原料及设备的利用率，大幅降低运行成本。

本发明一些具体实施例中，第一加热元件8为电加热带，电加热带缠绕在反应器本体1外表面上；第二加热元件9包括多个电加热棒，多个电加热棒沿反应器本体1周向布置。优选在反应器本体1中段外均匀摆放2-3层60-100根***式电加热棒，给反应器本体1中间流态化状态的晶种和原料气加热至反应所需温度，使得反应器本体1内反应温度控制在400℃-600℃。反应器本体1上段外均匀摆放2-10圈电加热带，维持反应器本体1上段内温度在400℃-600℃，对反应器本体1上端进入的低温晶种进行预热，同时增加流态化状态的晶种和原料气充分接触的反应时间及反应段空间。

本发明一些具体实施例中，如图1和图2所示，所述反应器本体1外设置有保温层10，进行隔热保温；所述保温层10材质为岩棉、纳米气凝胶、硅酸铝等保温材料。所述保温层10外设置有炉罩11，隔绝外部空气同时保温；所述炉罩11材质为碳钢或不锈钢。优选在炉罩11与保温层10之间的间隙内通入惰性气体（例如氮气），维持炉罩11内部压力在20-100kPaG，惰性气体气氛下不仅可保护保温层10的材料，同时还可以防止反应器本体1泄露造成安全事故，可提升设备的运行安全性。

本发明一些具体实施例中，所述反应器本体1采用高纯碳化硅、高纯氮化硅、单晶硅或石墨等材料，通过拼接、螺纹链接或镶嵌链接等方式形成一个整体桶状的腔体，安装于炉罩11内部。该些材料对颗粒硅产品不产生污染，同时在高温条件下也不会扩撒杂质进入反应器本体1内部及颗粒硅产品中。所述反应器本体1外壳优选高镍合金钢材质。

本发明所述生产颗粒硅的方法，包括以下步骤：

（1）从反应器本体1上端的晶种进料口2加入颗粒硅的晶种，从反应器本体1底部的原料气进料口4通入原料气，从辅助气进料口3通入辅助气；晶种向下运动，原料气和辅助气向上运动，通过加热元件从外部加热反应器本体1，使反应器本体1内部达到反应温度；

（2）原料气反应生成硅，并沉积在晶种表面形成颗粒硅，颗粒硅及其微硅粉从反应器本体1底部的颗粒硅出料口5排出到颗粒硅中间缓冲罐，尾气从反应器本体1顶部的尾气出口7排出。

本发明中，辅助气从反应器本体1底部***进入反应器本体1，形成气帘；原料气由反应器本体1底部中间区域进入，喷射入反应器本体1底部，反应器本体1底部与上部有3-30kPaG的压差，原料气在压差的作用下，自下向上均匀流动；晶种颗粒从反应器本体1上部进入，在重力的作用下，自上向下流动。晶种和原料气在气帘围成的中间区域内形成颗粒硅材料床层，在颗粒硅材料床层中，晶种和原料气成流态化状态，其中晶种填充率优选为15%-80%，从上到下填充率不断增加。通过晶种的填加量、原料气的流量大小，来控制晶种在反应器本体1的反应停留时间，维持在一个相对平衡稳定的状态。由于气帘的隔离作用，原料气与晶种在气帘围成的中间区域进行反应，从而可以很好的避免生成的硅沉积在反应器主体的内壁上。

本发明具体实施例中，晶种的粒径优选为0.1-0.9mm。

本发明具体实施例中，所述的原料气选择硅烷气和氢气的混合气，氢气作为载气，硅烷气作为主要反应气体。原料气进入反应器本体1前，通过预热器预热至100-300℃、压力为0.02-1MPaG。本发明所述的辅助气选择二氯二氢硅或者二氯二氢硅与氢气的混合气。

本发明在反应器本体1内部的***区域主要为二氯二氢硅气氛，中间区域为硅烷气和氢气气氛，在反应器本体1外部加热到反应温度的条件下，硅烷气热分解为单质硅和氢气，单质硅沉积到晶种上，随着沉积时间增加，颗粒硅的粒径不断增加，在重力的作用下，在反应器本体1底部得到颗粒硅产品。微量二氯二氢硅在高温下热分解成微硅粉、少量氯化氢气体。二氯二氢硅较硅烷气难分解，同时相较硅烷气来时，相同量的原料气进气，其二氯二氢硅含硅元素较少，其分解后的硅也相对较少，能减少分解出来的硅沉积在反应器本体内壁上。另外二氯二氢硅热分解过程中会产生氯化氢，氯化氢与反应器本体内壁沉积的硅反应，可减少反应器本体内壁沉积硅，在反应器本体内壁上形成一个动态的反应平衡，即减少了硅沉积在反应器本体内壁，同时不影响反应器中间核心反应区的硅烷流化床的反应。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生产颗粒硅的反应器，其特征在于，包括反应器本体（1）及设置在反应器本体（1）外表面的加热元件，所述反应器本体（1）顶部设置有晶种进料口（2），所述反应器本体（1）的底板上设置有辅助气进料口（3）、原料气进料口（4）和颗粒硅出料口（5），所述辅助气进料口（3）呈环形分布，所述原料气进料口（4）和颗粒硅出料口（5）位于辅助气进料口（3）围成的环内。

2.根据权利要求1所述的生产颗粒硅的反应器，其特征在于，所述辅助气进料口（3）围成的环与反应器本体（1）同轴，辅助气进料口（3）与反应器本体（1）内壁之间的距离为20-200mm。

3.根据权利要求1所述的生产颗粒硅的反应器，其特征在于，所述辅助气进料口（3）设置多个，多个辅助气进料口（3）呈环形分布。

4.根据权利要求1所述的生产颗粒硅的反应器，其特征在于，所述反应器本体（1）的底板包括中空的第一圆锥台和中空的第二圆锥台，第一圆锥台位于第二圆锥台内部，第一圆锥台的上底面面积小于下底面面积，第二圆锥台的上底面面积大于下底面面积，第一圆锥台的下底面呈开口设置，第二圆锥台的上底面呈开口设置，第一圆锥台的底部与第二圆锥台的底部通过平台连接；所述颗粒硅出料口（5）开设在所述平台上，所述辅助气进料口（3）开设在第二圆锥台的侧壁上；所述原料气进料口（4）开设在第一圆锥台上。

5.根据权利要求1所述的生产颗粒硅的反应器，其特征在于，所述加热元件包括第一加热元件（8）和第二加热元件（9），第一加热元件（8）位于反应器本体（1）的上段，第二加热元件（9）位于反应器本体（1）的中段。

6.根据权利要求5所述的生产颗粒硅的反应器，其特征在于，所述第一加热元件（8）为电加热带，所述电加热带缠绕在反应器本体（1）外表面上；所述第二加热元件（9）包括60-100根电加热棒，各电加热棒沿反应器本体（1）周向布置。

7.根据权利要求1所述的生产颗粒硅的反应器，其特征在于，所述反应器本体（1）外设置有保温层（10），所述保温层（10）外设置有炉罩（11），炉罩（11）上设置有惰性气体入口，所述惰性气体入口用于向炉罩（11）与保温层（10）之间的间隙内通入惰性气体。

8.根据权利要求1所述的生产颗粒硅的反应器，其特征在于，所述原料气进料口（4）和/或辅助气进料口（3）处设置有过滤分布器（6）。

9.一种生产颗粒硅的方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的生产颗粒硅的反应器，包括：

（1）从晶种进料口（2）加入颗粒硅的晶种，从原料气进料口（4）通入原料气，从辅助气进料口（3）通入辅助气；通过加热元件加热反应器本体（1），使反应器本体（1）内部达到反应温度；

（2）原料气反应生成硅，并沉积在晶种表面形成颗粒硅，形成的颗粒硅从颗粒硅出料口（5）排出。

10.根据权利要求1所述的生产颗粒硅的方法，其特征在于，所述原料气为硅烷气和氢气的混合气，所述辅助气为二氯二氢硅或者二氯二氢硅和氢气的混合气。