CN205933254U - 流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种流化床反应器，包括反应管、分布器和加热装置，反应管和位于反应管底部的分布器构成的反应室密闭空间为反应区，分布器设有气体喷口和产品出口，反应管上部设有尾气出口和籽晶进料口，反应管由反应内管和反应外管构成，反应内管选用导电性能差的耐高温材质，加热装置为感应加热装置且位于内外管构成的中空腔体内，流化床反应区呈倒圆锥形状，分布器在流化床壳体内呈圆锥形状。本实用新型采用倒锥形反应区和锥形气体分布器结合，***的辅助气包围原料气通入流化床内，避免了硅与流化床内壁的直接接触，减少了其在内壁的沉积。

Description

流化床反应器

技术领域

本实用新型涉及高纯多晶硅的制备装置领域，特别涉及采用流化床工艺制备颗粒状高纯多晶硅的流化床反应器装置。

背景技术

多晶硅是光伏发电行业和电子信息行业的关键原材料,是实现国家新能源战略的重要产品。1955年，德国西门子开发出以氢气（H2）还原高纯度三氯氢硅（SiHCl3），在加热到1100℃的硅芯（也称“硅棒”）上沉积多晶硅的生产工艺，并逐渐应用于工业化生产，被外界称为“西门子法”。改良西门子法即在西门子法的基础上增加了尾气回收和四氯化硅氢化工艺，实现了生产过程的闭路循环，既可以避免剧毒副产品直接排放污染环境，又实现了原料的循环利用、大大降低了生产成本。几十年来，通过CVD技术的改良、中间气体生产技术的进步和规模化效益的凸显，改良西门子法在多晶硅生产领域一直占据主导地位，然而，该工艺存在一些缺点，如还原沉积直接电耗较高等。

为降低还原直接电耗，流化床法制备多晶硅成为太阳能级多晶硅技术的主要发展方向之一。美国MEMC公司最早推出的流化床法，以四氯化硅（STC）、氢气（H2）、冶金硅（Si）和氯化氢（HCl）为原料在流化床高温（500℃以上）高压（20bar以上）下氢化生成三氯氢硅（TCS），TCS通过一系列歧化反应后制得硅烷气，硅烷气再通入有小尺寸硅粒的流化床反应炉内连续热解为粒状多晶硅。流化床法具有参与反应的硅料表面积大、生产效率高的优点，所以还原电耗低于改良西门子法。流化床法还是一个连续生产的过程，除定期清床之外，设备可连续运行，无需换装硅芯、配置电极等，这些优点均反映为硅烷法生产多晶硅的成本很低。

只是，目前的流化床反应器也存在一定的缺点，比如，化学气相沉积高纯度多晶硅的反应对温度极为敏感，因此会造成在反应器内部生成很多微小的硅细粉，且这些硅细粉会沉积到热壁表面，使反应器壁面的传热效率大大降低给传热造成了困难，随着反应正常进行，很多硅细粉还会随着尾气被带到下游的工序及管道中，积累较多时，会引起管道堵塞和原材料的浪费。此外，由于有些反应器材料比如石英的热膨胀系数较多晶硅相差一个数量级，当有多晶硅沉积到反应器壁面后，随着反应会造成反应器破裂，给工业操作安全带来隐患。

中国专利CN102502646 报道了一种使用快速流化床气相沉积制备多晶硅的设备和方法。采用了一种旋风分离来分离未反应气体中夹带的硅细粉，但旋风分离器是不能分离很细的硅粉，仍然还有大量的硅粉会带出***。同时，该专利对硅粉沉积在反应器壁没有进行处理。德国专利DE3910343描述了一种通过反应器的双层壁来防止器壁上沉积的反应器，仅有流化气体但无反应气体喷人反应器壁的外环。美国专利US4868013描述了一种通过喷人冷的惰性气体（如氢气）来冷却反应器表面，从而减少器壁上的沉积物的方法。欧洲专利EP0832312B描述了一种使用含卤素的气态蚀刻剂（如氯化氢、氯气或四氯化硅等）在流化床反应器的操作温度下或操作温度附近将反应器壁上的沉积物刻蚀除去或部分的刻蚀掉。使用该方案降低了转化率和反应器的空间-时间产率，增加了操作成本。

综上所述，采用流化床反应器制备粒状多晶硅较之改良西门子法具有显著优势，但也面临很多挑战。硅沉积物在流化床反应器内壁的累积减小了流化床反应器的生产力，还增大了其生产成本，如果能将这个问题加以解决，将会极大的提高流化床法生产多晶硅的产率，实现多晶硅的连续生产。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种新型的制备粒状多晶硅的锥形结构的流化床反应器，通过流化床的锥形结构和气体分布器的特殊结构来引导控制通入流化床反应器内的气体在流化床内壁的流动方向，采用此技术方案，能够避免生成的硅细粉与流化床反应器内壁进行接触，进而减少其在内壁的沉积，延长反应器运行周期，同时在保证反应物料的流化质量时，提高了生产效率，显著降低了多晶硅生产运行成本。

为实现上述目的和技术效果，本实用新型采用的技术方案如下：

一种流化床反应器，包括反应管、分布器和加热装置，所述反应管和位于反应管底部的分布器构成的反应室密闭空间为反应区，所述分布器设有气体进口和产品出口，所述反应管顶部或上部设有尾气出口和籽晶进料口，所述反应管由反应内管和反应外管构成，所述反应内管选用导电性能差的耐高温材质，所述加热装置为感应加热装置且位于内外管构成的中空腔体内，所述流化床反应区呈倒圆锥形状，所述分布器在流化床壳体内呈圆锥形状。

其中，所述反应内管材质为石英、二氧化硅、碳化硅、氮化硅中的至少一种，所述感应加热装置为感应线圈，所述感应线圈以所述反应内管为中心轴缠绕。进一步优选的，所述感应线圈为一组或多组。

其中，所述流化床反应区的倒圆锥形顶端横截面直径R与所述流化床反应区的倒圆锥形末端横截面直径r的关系为R/r=1.1-2.5。进一步优选的，所述流化床反应区的倒圆锥形顶端横截面直径R与所述流化床反应区的倒圆锥形末端横截面直径r的关系为R/r=1.2-1.5。

其中，所述分布器圆锥形状的锥形夹角为90-180℃。进一步优选的，所述分布器圆锥形状的锥形夹角为150-170℃。

其中，所述的分布器包括多层独立气体喷口，最外两层为辅助气喷口，其他内层为原料气喷口，所述分布器的辅助气喷口和原料气喷口分别与流化床底部的原料气进气口和辅助气进气口通过管线相连通。进一步优选的，所述的分布器包括五层独立气体喷口，最外两层为辅助气喷口，最内三层为原料气喷口。

其中，所述流化床反应管外部设置有振动器，所述振动器沿着流化床反应管对称设置，所述振动器的数量就应该设置为偶数，振动器数量设置为两个、四个、六个或八个，进一步优选的，振动器的数量设置为四个。所述振动器选自高频振动器、电磁振动器或气动振动器。

其中，所述反应内管内侧还包括内衬，所述内衬和/或反应外管为可拆装结构，所述内衬材质为石英、石墨或碳化硅。

其中，所述石墨或碳化硅内衬内表面具有石英、碳化硅、氮化硅或硅涂层中的至少一种。

其中，所述反应内管外侧还包括保温层，所述保温层由陶瓷或C-C 复合材料中的至少一种隔热材料组成。

其中，所述反应外管材质为金属、金属合金、碳钢、不锈钢或其他合金钢中的至少一种。

本实用新型的流化床反应器，由于采用感应加热代替传统的辐射加热或电阻加热，直接由中频或高频交变电流产生的感生磁场直接加热反应器内部的硅颗粒导体，在流化床反应器内部不必区分加热区和反应区，主要的流化床反应器内部空间都可以作为反应区，可以适用于大直径的大型流化床反应器，为大型流化床反应器供热，这有助于提高流化床反应器的产能，从而实现单套反应器年产能突破千吨级。

本实用新型的流化床反应器，由于采用倒圆锥形反应区和圆锥形气体分布器结合，借助分布器的圆锥形结构引导进入流化床反应区的辅助气体沿着流化床反应区的倒圆锥形结构向流化床内壁分散，辅助气沿着流化床内壁向上流动，对流化床内壁形成多层的气帘，原料气通过分布器最外圈的辅助气一直包围着进入流化床反应器内，与硅籽晶在反应区内发生化学沉积反应，原料气不会直接接触流化床内壁，很大程度上避免了硅与反应器内壁的接触，减少了其在内壁的沉积。

本实用新型通过控制原料气体和辅助气体的比例控制反应速率，进入流化床内的原料气体气速方便控制，避免流化床内流化不均的问题。且流化床内部的原料气体受热均匀，流化床内壁温度较低，所以减少了内壁硅沉积的问题。

本实用新型的流化床反应器，由于采用了在壳体外部加装振动器的新型设计，能够优化床层的气固流化反应，引导流化床内反应过程的传质、传热效应，而且还会对接触到反应器内壁的硅进行振动从而让其脱离壁面，尤其保证了流化床内衬涂层的完整性。

采用本实用新型流化床反应器，能保证反应顺利进行，不会出现沟流、气体分布不均等问题，无需定期停车检修、维护或更换内壁或内衬，延长了反应器运行周期，提高了生产效率和反应器的年生产能力，降低了多晶硅生产运行成本。

附图说明

图1为本实用新型流化床反应器的结构示意图。

其中，1为反应管，2为反应内管，3为反应外管，4为籽晶进料口,5为尾气出口，6为分布器，7为产品收集口，8为加热装置， 9为原料气进气口, 10为辅助气进气口。

图2为本实用新型流化床反应器分布器的结构示意图。

其中，6-1为辅助气喷口，6-2为原料气喷口，6-3为产品出口。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，但是，必需说明的是，本实用新型的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，具体实施方式中所涉及的具体配比和反应参数及物料选择是为说明本实用新型而列举在本具体实施方式中，并不是对本实用新型的任何限制。

如图1所示，流化床反应器，包括反应管1、分布器6和加热装置（图中未示出），反应管1和位于反应管1底部的分布器6构成的反应室密闭空间为反应区。分布器6设有进气喷口和产品出口，反应管顶部或上部设有尾气出口5和籽晶进料口4。反应管1由反应内管2和反应外管3构成，反应内管2选用导电性能差的耐高温材质，加热装置为感应加热装置且位于内外管构成的中空腔体内。此外，流化床反应区呈倒圆锥形状，从流化床反应器的纵剖面示意图来看，分布器6在流化床壳体内呈圆锥形状。通常，籽晶进料口4可以设置在流化床反应器反应管顶部或扩大段，可以垂直开口，也可以斜开口，内外管构成的中空腔体内通常填充有氢气、氮气或惰性气体保护，还可以是氢气或氮气或氩气或其组合，与流化床反应器内部压力相比，该中空腔体内维持微正压或正压。在实际操作中，籽晶种子从反应管顶部的籽晶进料口4加入流化床内，原料气体和辅助气体通过分布器6进入流化床反应区进行混合，加热装置直接对籽晶种子进行加热，维持流化床反应区保持在一定的温度范围，此时，可以启动振动装置8，然后在籽晶种子上进行硅沉积，使之长成较大尺寸的颗粒硅产品，长成的颗粒硅产品发生沉降，经过分布器6上的产品出口进入产品收集口7排出流化床反应器外进行收集，其中，分布器的气体喷口分别与流化床底部圆筒段的原料气进气口9和辅助气进气口10通过管线相连通。

考虑到采用感应加热装置对反应器内的物料进行加热，因此，反应内管2选取自石英、二氧化硅、碳化硅、氮化硅材质中的至少一种，从而避免反应内管2被感应加热而增加反应器内壁温度，因而能够有效防止壁面沉积。反应内管可以是一体式的密闭结构，比如反应内管可以采用石英内胆。感应加热装置优选采用感应线圈，感应线圈以反应内管为中心轴缠绕。进一步优选的，感应线圈可以设置一组或多组，感应线圈的数量设置，可以根据流化床实际运行情况进行调整。

对于本领域技术人员来说，常见的流化床反应器构造通常包含上部的扩大段、中部的直筒段和底部的球形段，直筒段都是被分为加热区和反应区这两个区域，这两个区域分别实现不同的功能。在加热区内，籽晶种子和流化气体都充分受热，继而被加热到预设温度，然后到反应区内，被加热的颗粒硅籽晶表面发生化学气相沉积，从而使硅颗粒不断长大。而本实用新型的创新之处就在于，对直筒段不进行分区，整个反应管1和位于反应管1底部的分布器6构成的反应室密闭空间都是反应区，且整个反应区设计成倒圆锥形状，也就是说，本实用新型流化床反应区的倒圆锥形顶端横截面直径R与流化床反应区的倒圆锥形末端横截面直径r的关系满足一定关系式：即R/r=1.1-2.5。在一个优选的技术方案里，R与r的关系应该满足R/r=1.2-1.5。更进一步优选时，R与r的关系应该满足R/r=1.2。当反应区为倒圆锥形时，从圆锥形分布器进入反应区的辅助气可以根据倒圆锥形流化床内壁的引流作用，使辅助气沿着流化床内壁向上流动，而原料气一直向上的流动轨迹，是可以一直被辅助气包裹着的，这也就隔绝了原料气与流化床内壁的直接接触。

在一个优选的技术方案里，分布器6在流化床壳体内呈圆锥形状的锥形夹角为90-180℃。进一步优选的，分布器圆锥形状的锥形夹角为150-170℃。更进一步优选时，分布器圆锥形状的锥形夹角为160℃。采用新型的倒圆锥的反应区段，配合分布器的锥形结构，以及辅助气包围原料气的进气方式，可以保证反应物料在反应区内混合、加热地更加均匀，避免出现沟流等问题，进而减少内壁的硅沉积问题。

从图2可以看出，气体分布器6可以包括多层独立气体喷口，一般来说，分布器中靠近流化床内壁的最外几层可以设置为辅助气喷口层6-1，分布器的其他喷口层可以设置为原料气喷口层6-2，分布器中心为产品出口6-3。比如，分布器最外两层设置为辅助气喷口层，内三层设置为原料气喷口层。可以理解的是，本领域技术人员能够根据流化床内气体分布的流场和产品质量的需要，对分布器内各层喷口的进气方式进行调整，比如，可以调整分布器的最外一层喷口为辅助气进气，分布器的其他喷口层为原料气进气，并保证各气体在进入流化床前是独立的，不会出现气体掺混的问题。

在一个优选的技术方案中，流化床反应管外部还可以设置有振动器8，振动器8的方位是沿着流化床反应管进行的对称设置，以保证振动器对流化床进行物理作用时，流化床床体能够受到均匀外力的影响，振动器可以选自高频振动器、电磁振动器或气动振动器等。考虑到流化床均匀受力问题，因此振动器的数量就应该设置为偶数，比如设置为两个、四个、六个或八个。进一步优选的，设置为四个振动器时，就需要将振动器围绕流化床的圆周进行布置，每个振动器之间保持固定的间距。当流化床直径不够容纳足够多的振动器数量时，可以理解的是，本领域技术人员会根据需要将振动器围绕流化床的圆周分上下两圈进行布置。

通常来说，反应内管内侧还包括内衬，内衬和/或反应外管为可拆装结构，内衬材质为石英、石墨或碳化硅。进一步优选的，石墨或碳化硅内衬内表面可以设有石英、碳化硅、氮化硅或硅涂层中的至少一种。且反应内管外侧还包括保温层，保温层由陶瓷或C-C 复合材料中的至少一种隔热材料组成。反应外管材质为金属、金属合金、碳钢、不锈钢或其他合金钢中的至少一种。可以理解的是，对于本领域的技术人员来说，可以根据流化床反应器运行的需要或颗粒硅产品的质量需要，来针对性地选取上述材料进而组成优选的流化床反应器，以满足流化床反应器大规模生产或得到高纯产品的需求。

尽管上文已结合实施例对本实用新型的具体实施方式进行了详细描述，但是需要指明的是，本实用新型的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由权利要求书来确定。本领域技术人员可以依据本实用新型的技术构想对上述实施方式进行各种等效改变和适当修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种流化床反应器，包括反应管、分布器和加热装置，所述反应管和位于反应管底部的分布器构成的反应室密闭空间为反应区，所述分布器设有气体进口和产品出口，所述反应管顶部或上部设有尾气出口和籽晶进料口，所述反应管由反应内管和反应外管构成，所述反应内管选用导电性能差的耐高温材质，所述加热装置为感应加热装置且位于内外管构成的中空腔体内，其特征在于，所述流化床反应区呈倒圆锥形状，所述分布器在流化床壳体内呈圆锥形状。

2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，所述反应内管材质为石英、二氧化硅、碳化硅、氮化硅中的至少一种，所述感应加热装置为感应线圈，所述感应线圈以所述反应内管为中心轴缠绕，所述感应线圈为一组或多组。

3.根据权利要求1或2所述的流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应区的倒圆锥形顶端横截面直径R与所述流化床反应区的倒圆锥形末端横截面直径r的关系为R/r=1.1-2.5。

4.根据权利要求3所述的流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应区的倒圆锥形顶端横截面直径R与所述流化床反应区的倒圆锥形末端横截面直径r的关系为R/r=1.2-1.5。

5.根据权利要求4所述的流化床反应器，其特征在于，所述分布器圆锥形状的锥形夹角为90-180℃。

6.根据权利要求5所述的流化床反应器，其特征在于，所述分布器圆锥形状的锥形夹角为150-170℃。

7.根据权利要求6所述的流化床反应器，其特征在于，所述的分布器包括多层独立气体喷口，最外两层为辅助气喷口，其他内层为原料气喷口，所述分布器的辅助气喷口和原料气喷口分别与流化床底部的原料气进气口和辅助气进气口通过管线相连通。

8.根据权利要求7所述的流化床反应器，其特征在于，所述的分布器包括五层独立气体喷口，最外两层为辅助气喷口，最内三层为原料气喷口。

9.根据权利要求8所述的流化床反应器，其特征在于，所述流化床反应管外部设置有振动器，所述振动器沿着流化床反应管对称设置，所述振动器的数量为两个、四个或六个。

10.根据权利要求9所述的流化床反应器，其特征在于，所述振动器选自高频振动器、电磁振动器或气动振动器。