製備多晶矽的設備的製作方法

2023-09-22 10:39:35 3

製備多晶矽的設備的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於製備多晶矽的設備，該設備包括：氯氫化合成反應裝置，其用於使矽粉、氫氣以及選自氯化氫與四氯化矽的至少一種發生氯氫化合成反應；第一精餾純化裝置，其用於對所述包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物進行第一精餾純化處理；歧化反應裝置，其用於使所述三氯氫矽發生歧化反應；第二精餾純化裝置，其用於對所述歧化反應產物進行第二精餾純化處理；以及熱解反應裝置，其用於使所述矽烷氣體發生熱解反應，以便獲得多晶矽。利用該設備能夠有效地製備獲得電子級多晶矽，並且該設備涉及的工藝簡單、安全、節能環保、成本低，且生產的多晶矽純度高，產生的尾氣和廢渣能夠達到環保要求，為電子級多晶矽清潔生產工藝。
【專利說明】製備多晶矽的設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及光伏產業【技術領域】，具體地，涉及製備多晶矽的設備。
【背景技術】
[0002]太陽能作為一種可再生清潔能源受到了全球的重視，利用太陽能資源來發電的技術已經被認為是當今全球最有發展前景的新能源技術。因而，以太陽能發電技術為核心的光伏產業在21世紀初得到了迅猛的發展。多晶矽作為光伏產業的主要原材料，隨著光伏行業的快速發展，其需求大幅增加。
[0003]然而，現階段多晶矽的製備工藝及設備仍有待改進。

【發明內容】

[0004]本發明是基於發明人的下列發現而完成的:
[0005]目前已報導的多晶矽生產工藝較多，主要有改良西門子法、矽烷法、冶金法等生產工藝。其中，改良西門子法多晶矽生產工藝是目前生產多晶矽的主流工藝，全球80%左右均採用該工藝。該工藝以三氯氫矽為主要原料，在1000-1100°C的高溫作用下，在CVD還原爐內與氫氣發生還原反應，生成的高純多晶娃沉積在娃芯表面，產出棒狀多晶娃，該工藝生產多晶矽所需的最低還原電耗為40KWh/kgSi，生產成本為15美元/kgSi。然而，隨著多晶矽產能的擴大，行業競爭激烈，多晶矽價格大幅下跌，改良西門子法的生產成本下降空間有限。矽烷法多晶矽生產工藝近幾年發展較快，其主要源於美國UCC公司的新矽烷法，該方法具有很多改良西門子法無法比擬的優點，諸如矽烷熱分解溫度較低、耗電少、矽烷容易提純、產品純度高、原料消耗低等，是一種有發展前景的新工藝。然而，在新矽烷法生產工藝中，三氯氫矽兩步歧化產生矽烷`氣，歧化效率較低，產生中間產物二氯二氫矽需要進一步提純分離，分離難度較大。因而，尋求一種成本低、耗能少的電子級多晶矽生產方法勢在必行。
[0006]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出一種用於製備低成本節能型生產電子級多晶矽的設備。
[0007]根據本發明的一個方面，本發明提出了一種用於製備多晶矽的設備。根據本發明的實施例，該設備包括:
[0008]氯氫化合成反應裝置，所述氯氫化合成反應裝置用於使矽粉、氫氣以及選自氯化氫與四氯化矽的至少一種發生氯氫化合成反應，以便獲得包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物；
[0009]第一精餾純化裝置，所述第一精餾純化裝置與所述氯氫化合成反應裝置相連，用於對所述包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物進行第一精餾純化處理，以便獲得三氯氫矽和第一精餾殘液；
[0010]歧化反應裝置，所述歧化反應裝置與所述第一精餾純化裝置相連，用於使所述三氯氫矽發生歧化反應，以便獲得包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物；
[0011]第二精餾純化裝置，所述第二精餾純化裝置與所述歧化反應裝置相連，用於對所述歧化反應產物進行第二精餾純化處理，以便獲得矽烷氣體和四氯化矽；以及
[0012]熱解反應裝置，所述熱解反應裝置與所述第二精餾純化裝置相連，用於使所述矽烷氣體發生熱解反應，以便獲得多晶矽。
[0013]發明人驚奇地發現，利用該設備能夠有效地製備獲得電子級多晶矽，並且該設備涉及的工藝簡單、安全、節能環保、成本低，且生產的多晶矽純度高，產生的尾氣和廢渣能夠達到環保要求，為電子級多晶矽清潔生產工藝。
[0014]另外，根據本發明上述實施例的用於製備多晶矽的設備還可以具有如下附加的技術特徵:
[0015]根據本發明的實施例，所述氯氫化合成反應裝置中設置有鎳基催化劑或銅基催化劑，以便在存在鎳基催化劑或銅基催化劑時，使包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物與矽粉接觸，發生所述氯氫化合成反應。由此，能夠有效提高氯氫化合成反應的效率，有利於後續步驟進行。
[0016]根據本發明的實施例，所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物中，四氯化矽和氫氣的摩爾比為1:2-5。由此，氯氫化合成反應的效率顯著提高，有利於後續步驟進行。
[0017]根據本發明的實施例，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度的溫度下進行的。
[0018]根據本發明的實施例，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度，1.5-3.5MPa的條件下進行的。由此，氯氫化合成反應的效率高，有利於後續步驟進行。
[0019]根據本發明的實施例，所述四氯化矽的至少一部分來源於所述歧化反應裝置。由此，即將歧化反應產物中的四氯化矽進行了循環利用，從而能夠實現節能環保，降低成本的目的。
[0020]根據本發明的實施例，所述第二精餾純化裝置與所述氯氫化合成裝置相連，以便將所述第二精餾純化裝置中獲得的四氯化矽用於所述氯氫化合成反應。由此，將第二精餾純化裝置產物中的四氯化矽進行了循環利用，從而能夠實現節能環保，降低成本的目的。
[0021]根據本發明的實施例，進一步包括:氣液混合裝置，所述氣液混合裝置用於將四氯化矽液體與氫氣進行混合，得到氣液混合物；熱交換裝置，所述熱交換裝置分別與所述氣液混合裝置和所述氯氫化合成反應裝置相連，用於利用所述氯氫化合成反應產物對所述氣液混合物進行熱交換處理，以便獲得經過預熱的氣液混合物和經過冷卻的氯氫化合成反應產物；以及電阻加熱器，所述電阻加熱器分別與所述熱交換裝置和所述氯氫化合成反應裝置相連，用於對經過預熱的氣液混合物進行加熱，以便獲得所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物，並將所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物供給至所述氯氫化合成反應裝置。由此，能夠在耗能最少的情況下同時實現對氯氫化合成反應產物的冷卻以及對氣液混合物進行預熱，並且能夠有效獲得包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物，為後續循環中氯氫化合成反應提供原料，從而能夠有效實現節能環保，降低成本的目的。[0022]根據本發明的實施例，進一步包括:除塵裝置，所述除塵裝置與所述熱交換裝置相連，以便將所述經過冷卻的氯氫化合成反應產物進行除塵處理；以及第一冷凝裝置，所述第一冷凝裝置分別與所述除塵裝置和第一精餾純化裝置相連，用於將經過除塵處理的氯氫化合成反應產物進行冷凝，以便分別回收氫氣和氯矽烷液體，所述氯矽烷液體包含三氯氫矽和四氯化矽，並將所述氯矽烷液體供給至所述第一精餾純化裝置用於所述第一精餾純化處理。由此，經過冷卻的氯氫化合成反應產物通過上述處理後，即可獲得氯矽烷液體和氫氣，而氯矽烷液體和氫氣能夠被分別供給至本發明的設備的相應裝置，進行再次循環利用，從而能夠有效實現節能環保，降低成本的目的。
[0023]根據本發明的實施例，所述第一冷凝裝置與所述氯氫化合成反應裝置相連，用於將所述氫氣供給至所述氯氫化合成反應裝置。由此，能夠將氫氣再利用，為氯氫化合成反應裝置中進行的氯氫化合成反應提供原料，節能環保，且能夠降低生產成本。
[0024]根據本發明的實施例，所述第一精餾純化裝置包括串聯的多個精餾塔，其中，每個精餾塔均沿所述精餾塔的軸向方向自下而上分別設置進料口和出料口。由此，能夠有效提高第一精餾純化裝置中精餾純化處理的效率，有利於後續步驟的進行。
[0025]根據本發明的實施例，所述第一精餾純化裝置包括串聯的第一精餾塔、第二精餾塔和第三精餾塔。由此，能夠同時保證適宜的生產成本及較高的精餾純化效率，有利於後續步驟的進行。
[0026]根據本發明的實施例，所述第一精餾塔的精餾溫度為60-100攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為10-50:1 ;所述第二精餾塔的精餾溫度為100-140攝氏度，壓力為0.5MPa，回流比為20-50:1 ;所述第三精餾塔的精餾溫度為60-80攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為20-50:1。由此，能夠保證安全生產，且耗能少、生產成本低、精餾純化效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0027]根據本發明的實施例，在所述歧化反應裝置中，所述歧化反應是在50-80攝氏度，0.2-0.6MPa的條件下進行的。由此，生產安全，且耗能少、生產成本低、歧化反應效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0028]根據本發明的實施例，所述歧化反應裝置為歧化反應器，所述歧化反應器進一步包括:歧化反應器本體，所述歧化反應器本體內限定出歧化反應空間，並且所述歧化反應空間中設置有催化劑層；三氯氫矽進料口，所述三氯氫矽進料口設置在所述催化劑層的下方，用於向所述歧化反應空間中供給三氯氫矽；以及歧化反應產物出料口，所述歧化反應產物出料口設置在所述催化劑層的上方，用於將所形成的包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物排出所述歧化反應器。由此，歧化反應效率高、效果好，且生產安全、耗能少、成本低、有利於後續步驟的進行。
[0029]根據本發明的實施例，所述第二精餾純化裝置為低溫精餾塔，其中，所述低溫精餾塔中的溫度為-60--80攝氏度，壓力為0.6-1.0MPa,回流比為5-20:1。由此，生產安全，且耗能少、生產成本低、精餾純化效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0030]根據本發明的實施例，進一步包括汽化處理裝置，所述汽化處理裝置分別與所述第二精餾純化裝置和所述熱解反應裝置相連，用於在熱解反應之前，預先將以液體形式儲存的矽烷氣體進行汽化處理。由此，有利於熱解反應裝置中熱解反應的進行，從而能夠有效製備獲得多晶矽，並且成本低、需能少，節能環保，且熱解反應效率高。
[0031]根據本發明的實施例，所述熱解反應裝置為還原爐，所述還原爐中設置有矽芯作為晶體沉積的載體。由此，熱解反應效率高，效果好，製備獲得的電子級多晶矽純度高。
[0032]根據本發明的實施例，所述還原爐為鐘罩式還原爐。由此，熱解反應效率高，效果好。
[0033]根據本發明的實施例，所述還原爐內設置有12、24或36對娃棒。由此，米用娃芯作為載體。進一步，根據本發明的實施例，還原爐內還設置有與矽芯對數一致的冷卻夾套。從而，有利於矽烷氣裂解沉積，製備獲得高純的電子級多晶矽。
[0034]根據本發明的實施例，所述還原爐內的溫度為750~900攝氏度，壓力為0.15~0.30MPa。由此，熱解反應效率高，效果好，且反應安全，製備獲得的電子級多晶矽純度高。
[0035]根據本發明的實施例，進一步包括:閃蒸處理裝置，所述閃蒸處理裝置與所述第一精餾純化裝置相連，用於將所述第一精餾殘液進行閃蒸處理，以便獲得四氯化矽氣體和固體殘渣；第二冷凝裝置，所述第二冷凝裝置分別與所述閃蒸處理裝置和所述氣液混合裝置相連，用於將所述四氯化矽氣體進行冷凝處理，以便獲得四氯化矽液體，並將所述四氯化矽液體供給至所述氣液混合裝置，用於所述氯氫化合成反應；以及殘渣處理裝置，所述殘渣處理裝置與所述閃蒸處理裝置相連，用於將所述固體殘渣依次進行鹼液水解中和處理以及壓濾處理。由此，能夠有效實現第一精餾殘液的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。
[0036]根據本發明的實施例，進一步包括:第一壓縮裝置，所述第一壓縮裝置與所述熱解反應裝置相連，用於將熱解反應的還原尾氣進行壓縮至壓力為6.0~10.0MPa ;以及第三冷凝裝置，所述第三冷凝裝置與所述第一壓縮裝置、所述氣液混合裝置和所述汽化處理裝置相連，用於將經過壓縮的還原尾氣冷凝至溫度為-100~-120攝氏度，以便將矽烷氣體冷凝為矽烷液體並獲得氫氣，以及將所述矽烷液體供給至所述汽化處理裝置，將所述氫氣供給至所述氣液混合裝置，用於所述氯氫化合成反應。由此，能夠有效對熱解反應裝置中產生的還原尾氣進行處理，實現無汙染排放，保證清潔生產，並實現還原尾氣的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。
[0037]根據本發明的實施例，進一步包括:第二壓縮裝置，所述第二壓縮裝置用於將各裝置中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣進行壓縮至壓力為0.25~0.50MPa ;第四冷凝裝置，所述第四冷凝裝置分別與所述第二壓縮裝置和所述第一精餾純化裝置相連，用於將經過壓縮的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣冷卻至溫度為-15~-30攝氏度，以便獲得氯矽烷液體和剩餘氣體，並將所述氯矽烷液體供給至所述第一精餾純化裝置用於所述第一精餾純化處理；淋洗裝置，所述淋洗裝置與所述第四冷凝裝置相連，用於將所述剩餘氣體進行淋洗，以便獲得經過淋洗的氣體和淋洗水；以及淋洗水處理裝置，所述淋洗水處理裝置與所述淋洗裝置相連，用於利用鹼液對所述淋洗水進行中和，並對中和後液進行壓濾，以便得到中和水和濾渣。由此，能夠有效對各裝置中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣進行處理，實現無汙染排放，保證清潔生產，並實現尾氣的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。
[0038]根據本發明的實施例，將所述中和水供給至所述淋洗裝置，用於對所述剩餘氣體進行淋洗。由此，能夠將中和水進行循環利用，從而降低生產成本，並實現無汙染排放，保證
清潔生產。
[0039]需要說明的是，相對於現有技術，本發明的用於製備多晶矽的設備具有以下優
點
[0040]1、本發明的用於製備多晶矽的設備，涉及的整個工藝系統安全穩定，工藝簡單，可實現；
[0041]2、本發明的用於製備多晶矽的設備，能夠將三氯氫矽一步歧化為矽烷氣；[0042]3、本發明的用於製備多晶矽的設備所產生的產物中，矽烷氣與氯矽烷易分離，提純後純度高，能夠達到9N以上；
[0043]4、本發明的用於製備多晶矽的設備中，獲得的矽烷氣裂解溫度較低，能耗較低，進而生產多晶娃的成本較低；
[0044]5、利用本發明的設備製備的多晶矽為電子級多晶矽，純度高，能夠達到9N-11N ；
[0045]6、本發明的設備排放的尾氣及廢渣均符合環保要求，為多晶矽清潔生產設備。
[0046]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0048]圖1顯示了根據本發明一個實施例的製備多晶矽的方法的流程示意圖；
[0049]圖2顯示了根據本發明一個實施例的製備多晶矽的方法的流程示意圖；
[0050]圖3顯示了根據本發明一個實施例的用於製備多晶矽的設備的結構示意圖；
[0051]圖4-圖11分別顯示了根據本發明一個實施例的用於製備多晶矽的設備的局部結構示意圖。`【具體實施方式】
[0052]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0053]在本發明的描述中，術語「軸向」、「上」、「下」、「頂」、「底」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0054]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0055]在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之「上」或之「下」可以包括第一和第二特徵直接接觸，也可以包括第一和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
[0056]需要說明的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。[0057]根據本發明的一個方面，本發明提出了一種用於製備多晶矽的設備。根據本發明的實施例，參照圖3，本發明的用於製備多晶矽的設備包括:氯氫化合成反應裝置1、第一精餾純化裝置2、歧化反應裝置3、第二精餾純化裝置4和熱解反應裝置5。
[0058]根據本發明一些實施例，所述氯氫化合成反應裝置I用於使矽粉、氫氣以及選自氯化氫與四氯化矽的至少一種發生氯氫化合成反應，以便獲得包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物；所述第一精餾純化裝置2與所述氯氫化合成反應裝置I相連，用於對所述包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物進行第一精餾純化處理，以便獲得三氯氫矽和第一精餾殘液；所述歧化反應裝置3與所述第一精餾純化裝置2相連，用於使所述三氯氫矽發生歧化反應，以便獲得包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物；所述第二精餾純化裝置4與所述歧化反應裝置3相連，用於對所述歧化反應產物進行第二精餾純化處理，以便獲得矽烷氣體和四氯化矽；所述熱解反應裝置5與所述第二精餾純化裝置4相連，用於使所述矽烷氣體發生熱解反應，以便獲得多晶矽。發明人驚奇地發現，利用該設備能夠有效地製備獲得電子級多晶矽，並且該設備涉及的工藝簡單、安全、節能環保、成本低，且生產的多晶矽純度高，產生的尾氣和廢渣能夠達到環保要求，為電子級多晶矽清潔生產工藝。
[0059]為了使本領域技術人員更容易地理解本發明的製備多晶矽的方法及其適用的設備，下面將結合圖3-圖11，對本發明的用於製備多晶矽的設備整體及其局部的結構和功能進行詳細描述。
[0060]其中，需要說明的是，各附圖及本文中所述的「STC」是指四氯化矽，「TCS」指三氯氫矽。
[0061]根據本發明的實施例，圖3中所示的氯氫化合成反應裝置I中氯氫化合成反應的條件不受特別限制。根據本發明的一些具體示例，氯氫化合成反應裝置I中設置有鎳基催化劑或銅基催化劑，以便在存在鎳基催化劑或銅基催化劑時，使包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物與矽粉接觸，發生所述氯氫化合成反應。其中，主要涉及的化學反應為:3SiCl4+2H2+Si——4SiH Cl3。由此，能夠有效提高氯氫化合成反應的效率，有利於後續步驟進行。其中，包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物中四氯化矽和氫氣的比例不受特別限制。根據本發明的實施例，所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物中，四氯化矽和氫氣的摩爾比為1:2-5。由此，氯氫化合成反應的效率顯著提高，有利於後續步驟進行。
[0062]根據本發明的實施例，氯氫化合成反應裝置I中進行氯氫化合成反應的溫度和壓力不受特別限制，只要能夠有效進行反應，獲得包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物即可。根據本發明的一些實施例，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度的溫度下進行的。根據本發明的另一些實施例，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度，1.5-3.5MPa的條件下進行的。由此，氯氫化合成反應的效率高，有利於後續步驟進行。
[0063]另外，氯氫化合成反應裝置I中所採用的四氯化矽的來源不受特別限制，可以直接提供，也可以從後續步驟的反應產物或廢液中分離獲得。根據本發明的實施例，所述四氯化矽的至少一部分來源於所述歧化反應裝置3。由此，即將歧化反應產物中的四氯化矽進行了循環利用，從而能夠實現節能環保，降低成本的目的。
[0064]根據本發明的實施例，所述第二精餾純化裝置4與所述氯氫化合成裝置I相連(圖中未示出)，以便將所述第二精餾純化裝置中獲得的四氯化矽用於所述氯氫化合成反應。由此，能夠將第二精餾純化裝置中所產生的四氯化矽進行循環利用，從而能夠實現節能環保，降低成本的目的。
[0065]根據本發明的實施例，參照圖4，本發明的用於製備多晶矽的設備可以進一步包括:氣液混合裝置6、熱交換裝置7和電阻加熱器8。根據本發明的實施例，所述氣液混合裝置6用於將四氯化矽液體與氫氣進行混合，得到氣液混合物；所述熱交換裝置7分別與所述氣液混合裝置6和所述氯氫化合成反應裝置I相連，用於利用所述氯氫化合成反應產物對所述氣液混合物進行熱交換處理，以便獲得經過預熱的氣液混合物和經過冷卻的氯氫化合成反應產物；所述電阻加熱器8分別與所述熱交換裝置7和所述氯氫化合成反應裝置I相連，用於對經過預熱的氣液混合物進行加熱，以便獲得所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物，並將所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物供給至所述氯氫化合成反應裝置I。由此，能夠在耗能最少的情況下同時實現對氯氫化合成反應產物的冷卻以及對氣液混合物進行預熱，並且能夠有效獲得包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物，為後續循環中氯氫化合成反應提供原料，從而能夠有效實現節能環保，降低成本的目的。
[0066]根據本發明的實施例，參照圖4，本發明的用於製備多晶矽的設備可以進一步包括:除塵裝置9和第一冷凝裝置10。根據本發明的實施例，除塵裝置9與熱交換裝置7相連，以便將所述經過冷卻的氯氫化合成反應產物進行除塵處理；第一冷凝裝置10分別與除塵裝置9和第一精餾純化裝置2相連，用於將經過除塵處理的氯氫化合成反應產物進行冷凝，以便分別回收氫氣和氯矽烷液體，所述氯矽烷液體包含三氯氫矽和四氯化矽，並將所述氯矽烷液體供給至所述第一精餾純化裝置2用於所述第一精餾純化處理。由此，經過冷卻的氯氫化合成反應產物通過上述處理後，即可獲得氯矽烷液體和氫氣，而氯矽烷液體和氫氣能夠被分別供給至本發明的設備的相應裝置，進行再次循環利用，從而能夠有效實現節能環保，降低成本的目的。
[0067]根據本發明的實施例，所述第一冷凝裝置10與所述氯氫化合成反應裝置I相連，用於將所述氫氣供給至所述氯氫化合成反應裝置I。由此，能夠將氫氣再利用，為氯氫化合成反應裝置中進行的氯氫化合成反應提供原料，節能環保，且能夠降低生產成本。
`[0068]根據本發明的實施例，所述第一精餾純化裝置2包括串聯的多個精餾塔，其中，每個精餾塔均沿所述精餾塔的軸向方向自下而上分別設置進料口和出料口。由此，能夠使用於進行精餾處理的物料均為沿各精餾塔的軸向方向自下而上運動，從而能夠有效提高第一精餾純化裝置中精餾純化處理的效率，有利於後續步驟的進行。
[0069]根據本發明的一些具體示例，參照圖5，第一精餾純化裝置2包括串聯的第一精餾塔21、第二精餾塔22和第三精餾塔23。由此，能夠同時保證適宜的生產成本及較高的精餾純化效率，有利於後續步驟的進行。其中，第一精餾純化裝置2中進行第一精餾純化處理的條件即各精餾塔內的反應條件不受特別限制，只要能夠從包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物中有效純化獲得三氯氫矽即可。根據本發明的實施例，所述第一精餾塔21的精餾溫度為60-100攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為10-50:1 ;所述第二精餾塔22的精餾溫度為100-140攝氏度，壓力為0.5MPa，回流比為20-50:1 ;所述第三精餾塔23的精餾溫度為60-80攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為20-50:1。由此，能夠保證安全生產，且耗能少、生產成本低、精餾純化效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0070]其中，歧化反應裝置3中涉及的化學反應主要為:4SiHCl3——SiH4+3SiCl4。而根據本發明的實施例，歧化反應裝置3中進行歧化反應的條件不受特別限制，只要能夠安全地進行三氯氫矽的歧化反應，有效獲得歧化反應產物即可。根據本發明的一些具體示例，在所述歧化反應裝置3中，所述歧化反應是在50-80攝氏度，0.2-0.6MPa的條件下進行的。由此，生產安全，且耗能少、生產成本低、歧化反應效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0071]根據本發明的實施例，歧化反應裝置3為歧化反應器，參照圖6，所述歧化反應器進一步包括:歧化反應器本體31、三氯氫矽進料口 34和歧化反應產物出料口 35。其中，根據本發明的實施例，所述歧化反應器本體31內限定出歧化反應空間32，並且所述歧化反應空間32中設置有催化劑層33 ;所述三氯氫矽進料口 34設置在所述催化劑層33的下方，用於向所述歧化反應空間32中供給三氯氫矽；所述歧化反應產物出料口 35設置在所述催化劑層33的上方，用於將所形成的包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物排出所述歧化反應器。由此，歧化反應效率高、效果好，且生產安全、耗能少、成本低、有利於後續步驟的進行。
[0072]根據本發明的實施例，第二精餾純化裝置4的類型及其中進行處理的條件不受特別限制。根據本發明的一些具體示例，參照圖7，所述第二精餾純化裝置4為低溫精餾塔，其中，所述低溫精餾塔中的溫度為-60--80攝氏度，壓力為0.6-1.0MPa,回流比為5-20:1。由此，生產安全，且耗能少、生產成本低、精餾純化效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0073]根據本發明的實施例，參照圖8，本發明的用於製備多晶矽的設備可以進一步包括汽化處理裝置11，所述汽化處理裝置11分別與所述第二精餾純化裝置4和所述熱解反應裝置5相連，用於在熱解反應之前，預先將以液體形式儲存的矽烷氣體進行汽化處理。由此，有利於熱解反應裝置中熱解反應的進行，從而能夠有效製備獲得多晶矽，並且成本低、需能少，節能環保，且熱解反應效率高。
[0074]根據本發明的實施例，熱解反應裝置的類型不受特別限制。根據本發明的一些具體示例，所述熱解反應裝置5為還原爐，所述還原爐中設置有矽芯作為晶體沉積的載體。由此，熱解反應效率高，效果好，製備獲得的電子級多晶矽純度高。根據本發明的另一些實施例，參照圖8，所述還原爐為鐘罩式還原爐。由此，熱解反應效率高，效果好。另外，還原爐中矽棒的數量以及還原爐內的溫度、壓力條件也不受特別限制，只要有利於熱解反應進行即可。根據本發明的實施例，所述還原爐內設置有12、24或36對矽棒。由此，可以採用矽芯作為載體。進一步，根據本發明的實施例，還原爐內還設置有與矽芯對數一致的冷卻夾套。從而，有利於矽烷氣裂解沉積，製備獲得高純的電子級多晶矽。根據本發明的另一些實施例，所述還原爐內的溫度為750-900攝氏度，壓力為0.15-0.30MPa。由此，熱解反應效率高，效果好，且反應安全，製備獲得的電子級多晶矽純度高。
[0075]根據本發明的實施例，參照圖9，本發明的用於製備多晶矽的設備還可以進一步包括:閃蒸處理裝置12、第二冷凝裝置13和殘渣處理裝置14。根據本發明的實施例，如圖9所示，所述閃蒸處理裝置12與所述第一精餾純化裝置2相連，用於將所述第一精餾殘液進行閃蒸處理，以便獲得四氯化矽氣體和固體殘渣；所述第二冷凝裝置13分別與所述閃蒸處理裝置12和所述氣液混合裝置6相連，用於將所述四氯化矽氣體進行冷凝處理，以便獲得四氯化矽液體，並將所述四氯化矽液體供給至所述氣液混合裝置6，用於所述氯氫化合成反應；所述殘渣處理裝置14與所述閃蒸處理裝置12相連，用於將所述固體殘渣依次進行鹼液水解中和處理以及壓濾處理。由此，能夠有效實現第一精餾殘液的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。其中，需要說明的是，當第一精餾純化裝置2如圖5所示，為串聯的第一精餾塔、第二精餾塔和第三精餾塔時，第一精餾殘液即為第二精餾塔底部排出的殘液。
[0076]根據本發明的實施例，參照圖10，本發明的用於製備多晶矽的設備可以進一步包括:第一壓縮裝置15和第三冷凝裝置16，根據本發明的實施例，所述第一壓縮裝置15與所述熱解反應裝置5相連，用於將熱解反應的還原尾氣進行壓縮至壓力為6.0-10.0MPa ;所述第三冷凝裝置16與所述第一壓縮裝置15、所述氣液混合裝置6和所述汽化處理裝置11相連，用於將經過壓縮的還原尾氣冷凝至溫度為-100--120攝氏度，以便將矽烷氣體冷凝為矽烷液體並獲得氫氣，以及將所述矽烷液體供給至所述汽化處理裝置11，將所述氫氣供給至所述氣液混合裝置6，用於所述氯氫化合成反應。由此，能夠有效對熱解反應裝置中產生的還原尾氣進行處理，實現無汙染排放，保證清潔生產，並實現還原尾氣的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。
[0077]根據本發明的實施例，參照圖11，本發明的用於製備多晶矽的設備還可以進一步包括:第二壓縮裝置17、第四冷凝裝置18、淋洗裝置19和淋洗水處理裝置(圖中未示出)。其中，根據本發明的實施例，所述第二壓縮裝置17用於將各裝置中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣進行壓縮至壓力為0.25-0.50MPa ;所述第四冷凝裝置18分別與所述第二壓縮裝置17和所述第一精餾純化裝置2相連，用於將經過壓縮的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣冷卻至溫度為-15--30攝氏度，以便獲得氯矽烷液體和剩餘氣體，並將所述氯矽烷液體供給至所述第一精餾純化裝置2用於所述第一精餾純化處理；所述淋洗裝置19與所述第四冷凝裝置18相連，用於將所述剩餘氣體進行淋洗，以便獲得經過淋洗的氣體和淋洗水；所述淋洗水處理裝置與所述淋洗裝置19相連，用於利用鹼液對所述淋洗水進行中和，並對中和後液進行壓濾，以便得到中和水和濾渣。由此，能夠有效對各裝置中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣進行處理，實現無汙染排放，保證清潔生產，並實現尾氣的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。
[0078]根據本發明的實施例，還可以通過管道將所述中和水供給至所述淋洗裝置19，用於對所述剩餘氣體進行淋洗。由此，能夠將中和水進行循環利用，從而降低生產成本，並實現無汙染排放，保證清潔 生產。
[0079]以上部分已經詳細描述了本發明的用於製備多晶矽的設備，為了能夠更好地理解該設備，下面對該設備適用的方法再進行詳細描述。
[0080]因而，根據本發明的另一個方面，本發明還提出了一種製備多晶矽的方法。根據本發明的實施例，參照圖1和圖2，該方法包括以下步驟:
[0081]SlOO:氯氫化合成反應
[0082]首先，使矽粉、氫氣以及選自氯化氫與四氯化矽的至少一種發生氯氫化合成反應，以便獲得包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物。其中，該步驟主要涉及的化學反應為:
[0083]3SiCl4+2H2+S1-4SiHCl3。
[0084]根據本發明的實施例，氯氫化合成反應的條件不受特別限制。根據本發明的一些具體示例，可以在存在鎳基催化劑或銅基催化劑時，使包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物與矽粉接觸，以便發生所述氯氫化合成反應。由此，能夠有效提高氯氫化合成反應的效率，有利於後續步驟進行。其中，包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物中四氯化矽和氫氣的比例不受特別限制。根據本發明的實施例，所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物中，四氯化矽和氫氣的摩爾比為1:2-5。由此，氯氫化合成反應的效率顯著提高，有利於後續步驟進行。
[0085]根據本發明的實施例，包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物的獲得方法不受特別限制。根據本發明的一些實施例，該包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物可以通過下列步驟獲得:將四氯化矽液體與氫氣進行混合，得到氣液混合物；利用所述氯氫化合成反應產物對所述氣液混合物進行熱交換處理，以便獲得經過預熱的氣液混合物和經過冷卻的氯氫化合成反應產物；以及利用電阻加熱器，對經過預熱的氣液混合物進行加熱，以便獲得所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物。由此，能夠在耗能最少的情況下同時實現對氯氫化合成反應產物的冷卻以及對氣液混合物進行預熱，並且能夠有效獲得包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物，為後續循環中的氯氫化合成反應提供原料，從而能夠有效實現節能環保，降低成本的目的。
[0086]此外，針對經過冷卻的氯氫化合成反應產物，還可以進行進一步處理。根據本發明的實施例，上述的本發明的方法可以進一步包括:將所述經過冷卻的氯氫化合成反應產物進行除塵處理；將經過除塵處理的氯氫化合成反應產物進行冷凝，以便分別回收氫氣和氯矽烷液體，所述氯矽烷液體包含三氯氫矽和四氯化矽；以及將所述氯矽烷液體用於所述第一精餾純化處理。由此，經過冷卻的氯氫化合成反應產物通過上述處理後，即可獲得氯矽烷液體和氫氣，而氯矽烷液體和氫氣能夠被分別供給至本發明的方法的相應步驟，進行再次循環利用，從而能夠有效 實現節能環保，降低成本的目的。而針對回收穫得的氫氣，根據本發明的實施例，可以將所述氫氣返回用於進行所述氯氫化合成反應。由此，能夠將氫氣再利用，為氯氫化合成反應提供原料，節能環保，且能夠降低生產成本。
[0087]根據本發明的實施例，氯氫化合成反應的溫度和壓力不受特別限制，只要能夠有效進行反應，獲得包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物即可。根據本發明的一些實施例，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度的溫度下進行的。由此，氯氫化合成反應的效率高，有利於後續步驟進行。根據本發明的實施例，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度，1.5-3.5MPa的條件下進行的。由此，氯氫化合成反應安全、效率高，有利於後續步驟進行。
[0088]另外，氯氫化合成反應所採用的四氯化矽的來源不受特別限制，可以直接提供，也可以從後續步驟的反應產物或廢液中分離獲得。根據本發明的實施例，所述四氯化矽的至少一部分是通過對三氯氫矽進行歧化反應而獲得的。由此，即將後續歧化反應的產物中的四氯化矽進行了循環利用，從而能夠實現節能環保，降低成本的目的。根據本發明的另一些實施例，還可以從後續第一精餾純化處理步驟中產生的包含四氯化矽的第一精餾殘液中分離獲得。由此，能夠有效實現生產廢液的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。
[0089]S200:第一精餾純化處理
[0090]其次，對上述獲得的包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物進行第一精餾純化處理，以便獲得三氯氫矽和第一精餾殘液。
[0091]根據本發明的實施例，第一精餾純化處理所採用的裝置不受特別限制，只要能夠有效實現對包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物的第一精餾純化處理即可。根據本發明的一些實施例，所述第一精餾純化處理是利用串聯的多個精餾塔進行的，其中，在每個精餾塔中，用於進行精餾處理的物料均為沿所述精餾塔的軸向方向自下而上運動。由此，能夠有效提高精餾純化處理的效率，有利於後續步驟的進行。根據本發明的一些優選實施例，所述第一精餾純化處理是利用串聯的第一精餾塔、第二精餾塔和第三精餾塔進行的。由此，能夠同時保證適宜的生產成本及較高的精餾純化效率，有利於後續步驟的進行。其中，第一精餾純化處理的條件即各精餾塔內的反應條件不受特別限制，只要能夠從包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物中有效純化獲得三氯氫矽即可。根據本發明的實施例，所述第一精餾塔的精餾溫度為60-100攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為10-50:1 ;所述第二精餾塔的精餾溫度為100-140攝氏度，壓力為0.5MPa，回流比為20-50:1 ;所述第三精餾塔的精餾溫度為60-80攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為20-50:1。由此，能夠保證安全生產，且耗能少、生產成本低、精餾純化效率高、效果好，能夠提純獲得純度為99%以上的三氯氫矽，有利於後續步驟的進行。
[0092]此外，還可以對第一精餾純化處理產生的廢液即第一精餾殘液進行進一步處理。根據本發明的實施例，進一步包括:將所述第一精餾殘液進行閃蒸處理，以便獲得四氯化矽氣體和固體殘渣；將所述四氯化矽氣體進行冷凝處理，以便獲得四氯化矽液體；將所述四氯化矽液體用於所述氯氫化合成反應；以及將所述固體殘渣依次進行鹼液水解中和處理以及壓濾處理。由此，能夠有效實現第一精餾殘液的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。其中，當第一精餾純化處理是利用上面所述的串聯的第一精餾塔、第二精餾塔和第三精餾塔進行時，第一精餾殘液即為第二精餾塔底部排出的殘液。
[0093]S300:歧化反應
[0094]接著，使所述三氯氫矽發生歧化反應，以便獲得包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物。其中，該步驟主要涉及的化學反應為:4SiHCl3——SiH4+3SiCl4。
[0095]根據本發明的實施例，歧化反應的條件不受特別限制，只要能夠安全地進行三氯氫矽的歧化反應，有效獲得上述歧化反應`產物即可。根據本發明的一些具體示例，所述歧化反應是在50-80攝氏度，0.2-0.6MPa的條件下進行的。由此，生產安全，且耗能少、生產成本低、歧化反應效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0096]另外，進行歧化反應的裝置也不受特別限制，只要能夠保證生產安全、高效地進行即可。根據本發明的實施例，所述歧化反應是在歧化反應器中進行的，所述歧化反應器可以進一步包括:歧化反應器本體、三氯氫矽進料口和歧化反應產物出料口。根據本發明的一些具體示例，上述歧化反應器本體內限定出歧化反應空間，並且所述歧化反應空間中設置有催化劑層；所述三氯氫矽進料口設置在所述催化劑層的下方，用於向所述歧化反應空間中供給三氯氫矽；所述歧化反應產物出料口設置在所述催化劑層的上方，用於將所形成的包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物排出所述歧化反應器。由此，歧化反應效率高、效果好，且生產安全、耗能少、成本低、有利於後續步驟的進行。
[0097]S400:第二精餾純化處理
[0098]接下來，對所述歧化反應產物進行第二精餾純化處理，以便獲得矽烷氣體和四氯化矽。
[0099]根據本發明的實施例，進行第二精餾純化處理的裝置及所需條件不受特別限制。根據本發明的一些具體示例，所述第二精餾純化處理是在低溫精餾塔中進行的，其中，所述低溫精餾塔中的溫度為-60--80攝氏度，壓力為0.6-1.0MPa,回流比為5-20:1。由此，能夠保證生產安全，且耗能少、生產成本低、精餾純化效率高、效果好，有利於後續步驟的進行。
[0100]其中，針對第二精餾純化處理步驟中所產生的四氯化矽殘液，可以進行進一步處理。根據本發明的實施例，四氯化矽殘液通過處理，獲得的四氯化矽用於所述氯氫化合成反應。由此，有效實現了四氯化矽殘液的循環利用，並降低了氯氫化合成反應原料的配給，從而能夠實現節能環保，降低成本的目的。
[0101]S500:熱解反應
[0102]然後，使上述獲得的矽烷氣體在還原爐中發生熱解反應，其中，所述還原爐中設置有矽芯作為晶體沉積的載體，以便獲得多晶矽。其中，該步驟主要涉及的化學反應為:SiH4-Si+ai2。
[0103]根據本發明的實施例，將上一步驟中獲得的所述矽烷氣體以液體形式採集儲存，並且在進入還原爐中發生熱解反應之前，預先將所述液體形式的矽烷在汽化器中進行汽化處理。由此，便於矽烷氣體的運輸，並有利於熱解反應進行，進而能夠有效製備獲得多晶矽，並且成本低、需能少，節能環保，且熱解反應效率高。
[0104]根據本發明的實施例，熱解反應可以採用的還原爐的類型不受特別限制。根據本發明的一些具體示例，所述還原爐為鐘罩式還原爐。由此，熱解反應效率高，效果好，製備獲得的電子級多晶矽純度高。
[0105]另外，還原爐中矽棒的數量以及還原爐內的溫度、壓力條件也不受特別限制，只要有利於熱解反應進行即可。根據本發明的實施例，所述還原爐內設置有12、24或36對矽棒。由此，可以採用矽芯作為載體。進一步，根據本發明的實施例，還原爐內還設置有與矽芯對數一致的冷卻夾套。從而，有利於矽烷氣裂解沉積，製備獲得高純的電子級多晶矽。根據本發明的另一些實施例，所述還原爐內的溫度為750-900攝氏度，壓力為0.15-0.30MPa。由此，熱解反應效率高，效果好，且反應安全，製備獲得的電子級多晶矽純度高。
[0106]其中，還可以將熱解反應中所產生的還原尾氣進行進一步處理，以便進行循環利用，其中，對還原尾氣進行處理的方法不受特別限制。根據本發明的實施例，可以進一步包括:將熱解反應的還原尾氣進行壓縮至壓力為6.0-10.0MPa ;將經過壓縮的還原尾氣冷凝至溫度為-100--120攝氏度，以便將矽烷氣體冷凝為矽烷液體，並獲得氫氣；以及將所述氫氣用於所述氯氫化合成反應。由此，能夠有效對還原尾氣進行處理，實現無汙染排放，保證清潔生產，並實現還原尾氣的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。
[0107]此外，對各步驟中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣也可以進行進一步處理，以便進行循環再利用，其中，進行處理的方法不受特別限制。根據本發明的實施例，可以進一步包括:將各步驟中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣進行壓縮至壓力為0.25-0.50MPa,並進一步冷卻至-15-_30攝氏度的溫度，以便獲得氯矽烷液體和剩餘氣體；將所述氯矽烷液體進行所述第一精餾純化處理；將所述剩餘氣體進行淋洗，以便獲得經過淋洗的氣體和淋洗水；以及利用鹼液對所述淋洗水進行中和，對中和後液進行壓濾，以便得到中和水和濾渣。由此，能夠有效對各步驟中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣進行處理，實現無汙染排放，保證清潔生產，並實現尾氣的循環再利用，從而達到節能環保，降低成本的目的。其中，上述中和水也可以進行再利用，根據本發明的實施例，將所述中和水用於對所述剩餘氣體進行淋洗。由此，能夠將中和水進行循環利用，從而降低生產成本，並實現無汙染排放，保證清潔生產。[0108]根據本發明的另一些實施例，本發明的製備多晶矽方法還可以進一步包括:將中間步驟中分離獲得的四氯化矽返回Sioo (氯氫化合成反應)，使其參與氯氫化合成反應，進而進入本發明的製備多晶矽的方法的工藝步驟中，進行順序循環。由此，能夠實現經濟、環保的生產目的。
[0109]發明人驚奇地發現，利用本發明的製備多晶矽方法能夠有效地製備獲得電子級多晶矽，並且該方法工藝簡單、安全、節能環保、成本低，且生產的多晶矽純度高，產生的尾氣和廢渣能夠達到環保要求，為電子級多晶矽清潔生產工藝。
[0110]此外，根據本發明的一些實施例，參照圖2，本發明的製備多晶矽方法還可以包括以下步驟:
[0111]Ca)氯氫化合成步驟:採用矽粉、氫氣和補充的四氯化矽(或氯化氫)與來自於後續步驟(b)、(c)的四氯化矽為原料，控制溫度500~550度，壓力1.5~3.5MPa，四氯化矽與氫氣配比1:2~1:5，在鎳基或者銅基觸媒作用下，於固定床(或流化床)氫化反應器中將四氯化矽轉化為三氯氫矽，為步驟(c)提供三氯氫矽原料。主反應為:3SiCl4+2H2+Si——4SiHCl3。
[0112](b)三氯氫矽精餾提純步驟:來自於步驟(a)的氯矽烷混合液進入串聯的三個精餾塔中，控制第一精餾塔溫度60~100°C，壓力0.2MPa，回流比10:1~50:1 ;控制第二精餾塔溫度100~140°C，壓力0.5MPa，回流比20:1~50:1 ;控制第三精餾塔溫度60~80°C，壓力0.2MPa，回流比20:1~50:1。得到純度為99%以上的三氯氫矽，四氯化矽返回步驟(a)。
[0113](C)三氯氫矽歧化步驟:來自於步驟(b)的三氯氫矽，通入歧化反應器中，在催化劑作用下，控制反應器內溫度50~80°C，壓力0.2~0.6MPa，使三氯氫矽轉化為矽烷氣體。主要反應方程式為:4SiHCl3——SiH4+3SiCl4。
[0114](d)矽烷氣低溫精餾步驟:來自於步驟(C)的含有雜質的矽烷氣體，進入低溫精餾塔中，控制塔內溫度-60~-80°C，壓力0.60~1.010，回流比5:1~20:1。從而，塔頂採出的矽烷純度能夠達到9N~11N，主要去除了 B、P、Al、C等雜質化合物。此部分矽烷氣以液體方式採出並儲存。
[0115](e)矽烷氣高溫裂解製備多晶矽步驟:來自步驟(d)的矽烷氣體進入鐘罩式還原爐中，控制內部溫度750~900°C，0.15MPa~0.30MPa，使矽烷氣體裂解沉積在矽芯上，產生的氫氣返回至步驟(a)循環利用。矽烷氣一次裂解轉化效率能達到90%以上。主要反應方程式為:SiH4——Si+2H2。
[0116](f)殘液回收步驟:來自步驟(b)中所產生的第一精餾殘液即第二精餾塔底部排出的殘液主要富含四氯化矽和少量的固體殘渣，將其經過閃蒸、除塵及冷凝等處理後，四氯化矽得以回收，固體殘渣排至步驟(h)處理。[0117](g)尾氣回收步驟:主要處理兩部分尾氣，一部分為步驟(a)、(b)、(c)、(f)排出的富含氯矽烷的尾氣，經過壓縮深冷後，將大部分氯矽烷分離後至步驟(b)進行回收，少量含有氯矽烷的尾氣經過尾氣淋洗塔水解處理合格後，排放至大氣中，並將水解渣至步驟(h)處理；另一部分為來自步驟(e)的還原尾氣，該部分尾氣含有氫氣和矽烷氣，經過壓縮深冷後，氫氣被分離出來而供給至步驟(a)循環利用，矽烷氣冷凝為液體經過汽化後至步驟(e)循環利用。[0118](h)殘渣中和步驟:將前述來自於步驟(f)的固體殘渣和步驟(g)的水解渣，添加中和劑(氫氧化鈣鹼液)進行中和、壓濾處理，然後將合格的固體渣進行環保排放，並將廢水返回至步驟(g)所述的尾氣淋洗塔循環利用。
[0119]下面通過具體的實施例，對本發明進行說明，需要說明的是這些實施例僅僅是為了說明目的，而不能以任何方式解釋成對本發明的限制。另外，在下列實施例中如果沒有特別說明，則所採用的設備和材料均為市售可得的。
[0120]實施例1
[0121]利用圖3-圖11所示的本發明的用於製備多晶矽的設備，參照圖1和圖2所示的流程，按照以下工序步驟製備多晶矽:
[0122](I)氯氫化合成步驟:來自下述步驟(2)、步驟(3)的四氯化矽與氫氣經過氣液混合器配比混合後，與氫化反應器出口氣體經過熱交換，進入電阻加熱器加熱至一定溫度，該混合氣體直接進入氫化反應器中，控制溫度500-550度，壓力1.5-3.5MPa，四氯化矽與氫氣配比1:2-1:5，鎳基或者銅基觸媒作用下，與矽粉反應。反應後的氣體經過高效氣固除塵器後在氣氣換熱器中與來自氣液混合器的氣體換熱，降溫後的反應氣體進入鼓泡除塵塔，將固體粉塵進一步除塵後進入集成冷凝器，氯矽烷冷凝進入液體收集罐，氫氣分離出來經壓縮機進入氣液混合器循環利用。
[0123](2)氯矽烷提純步驟:利用三氯氫矽和四氯化矽沸點的差異，在相同溫度下有不同的揮發度的原理，採用三塔(即精餾塔)提純三氯氫矽。殘液從第二精餾塔排出，經過提純的TCS從第三精餾塔頂部採出，回收的STC從第三精餾塔底部排出返回至步驟(I)中的氣液混合器。得到純度為99%以上的三氯氫矽。
[0124](3)三氯氫矽歧化步驟:控制歧化反應器的溫度50-80°C，壓力0.2-0.6MPa，在催化劑作用下，將第三精餾塔頂部採出的TCS通入反應器中，發生歧化反應，產生矽烷氣。
[0125](4)矽烷氣低溫精餾步驟:利用B、P、C等雜質、氯矽烷與矽烷氣體沸點的差異，在相同溫度下有不同的揮發度的原理，採用低溫精餾塔提純矽烷氣。來自於步驟(3)的矽烷氣進入低溫精餾塔，控制塔內溫度-60-_80°C，壓力0.60-1.0MPa,回流比5:1-20:1。從塔頂採出的矽烷純度能夠達到9N-11N，主要去除了 B、P、Al、C等雜質化合物。從塔頂採出的高純矽烷氣去步驟(5)，雜質等從塔底排出。
[0126](5)矽烷氣高溫熱解步驟:來自步驟(4)的高純矽烷氣進入汽化器，汽化為氣體進入鐘罩式還原爐，內部設置矽芯作為晶體沉積的載體，可以是12對棒、24對棒或者36對棒還原爐。控制內部溫度750-900°C，0.15MPa-0.30MPa下，矽烷氣體裂解沉積在矽芯上，生成棒狀電子級多晶矽。產生的還原尾氣回收後返回至步驟(7)處理。其中，矽烷氣一次裂解轉化效率能達到90%以上。
[0127](6)殘液回收步驟:來自步驟(2)第三精餾塔底部排出的殘液，富含四氯化矽和少量的固體殘渣，經過閃蒸罐蒸發，閃蒸罐帶有攪拌裝置，軸與本體採用機械密封，其外部為蒸汽夾套，採用蒸汽加熱。從閃蒸罐蒸發出來的四氯化矽氣體進入後續的水冷器冷凝，四氯化矽液體返回至步驟(I)中氣液混合器。固體殘渣經過與鹼液水解中和後經壓濾為無害中和渣排出。
[0128](7)尾氣回收步驟:整個系統分為兩股尾氣。尾氣I為含有氯矽烷的尾氣，其中不含矽烷氣。此部分尾氣經過壓縮機壓縮至0.25-0.50MPa,進入深冷器，控制深冷溫度-15--30°C，氯矽烷冷凝下來返回至步驟(2)，未冷凝下來的氣體進入尾氣淋洗塔，淋洗後的合格氣體放空，淋洗水與鹼液中和後壓濾，濾渣外排，中和水返至淋洗塔循環利用；尾氣2為富含氫氣和少量矽烷氣的氣體，即從鐘罩式還原爐出來的還原尾氣，此部分氣體經過壓縮機壓縮至6.0-10.0MPa，進入深冷器冷凝至-100-_120°C，矽烷氣冷凝為液體進入汽化器，氫氣分離出來進入氯氫化合成反應裝置。
[0129]在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0130]儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定`。
【權利要求】
1.一種用於製備多晶矽的設備，其特徵在於，包括: 氯氫化合成反應裝置，所述氯氫化合成反應裝置用於使矽粉、氫氣以及選自氯化氫與四氯化矽的至少一種發生氯氫化合成反應，以便獲得包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物； 第一精餾純化裝置，所述第一精餾純化裝置與所述氯氫化合成反應裝置相連，用於對所述包含三氯氫矽的氯氫化合成反應產物進行第一精餾純化處理，以便獲得三氯氫矽和第一精餾殘液； 歧化反應裝置，所述歧化反應裝置與所述第一精餾純化裝置相連，用於使所述三氯氫矽發生歧化反應，以便獲得包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物； 第二精餾純化裝置，所述第二精餾純化裝置與所述歧化反應裝置相連，用於對所述歧化反應產物進行第二精餾純化處理，以便獲得矽烷氣體和四氯化矽；以及 熱解反應裝置，所述熱解反應裝置與所述第二精餾純化裝置相連，用於使所述矽烷氣體發生熱解反應 ，以便獲得多晶矽。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述氯氫化合成反應裝置中設置有鎳基催化劑或銅基催化劑，以便在存在鎳基催化劑或銅基催化劑時，使包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物與矽粉接觸，發生所述氯氫化合成反應。
3.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物中，四氯化矽和氫氣的摩爾比為1:2-5。
4.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度的溫度下進行的。
5.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述氯氫化合成反應是在500-550攝氏度，1.5-3.5MPa的條件下進行的。
6.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，所述四氯化矽的至少一部分來源於所述歧化反應裝置。
7.根據權利要求6所述的設備，其特徵在於，所述第二精餾純化裝置與所述氯氫化合成裝置相連，以便將所述第二精餾純化裝置中獲得的四氯化矽用於所述氯氫化合成反應。
8.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於，進一步包括: 氣液混合裝置，所述氣液混合裝置用於將四氯化矽液體與氫氣進行混合，得到氣液混合物； 熱交換裝置，所述熱交換裝置分別與所述氣液混合裝置和所述氯氫化合成反應裝置相連，用於利用所述氯氫化合成反應產物對所述氣液混合物進行熱交換處理，以便獲得經過預熱的氣液混合物和經過冷卻的氯氫化合成反應產物；以及 電阻加熱器，所述電阻加熱器分別與所述熱交換裝置和所述氯氫化合成反應裝置相連，用於對經過預熱的氣液混合物進行加熱，以便獲得所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物，並將所述包含四氯化矽和氫氣的氣體混合物供給至所述氯氫化合成反應裝置。
9.根據權利要求8所述的設備，其特徵在於，進一步包括: 除塵裝置，所述除塵裝置與所述熱交換裝置相連，以便將所述經過冷卻的氯氫化合成反應產物進行除塵處理；以及 第一冷凝裝置，所述第一冷凝裝置分別與所述除塵裝置和第一精餾純化裝置相連，用於將經過除塵處理的氯氫化合成反應產物進行冷凝，以便分別回收氫氣和氯矽烷液體，所述氯矽烷液體包含三氯氫矽和四氯化矽，並將所述氯矽烷液體供給至所述第一精餾純化裝置用於所述第一精餾純化處理。
10.根據權利要求9所述的設備，其特徵在於，所述第一冷凝裝置與所述氯氫化合成反應裝置相連，用於將所述氫氣供給至所述氯氫化合成反應裝置。
11.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述第一精餾純化裝置包括串聯的多個精餾塔，其中，每個精餾塔均沿所述精餾塔的軸向方向自下而上分別設置進料口和出料口。
12.根據權利要求11所述的設備，其特徵在於，所述第一精餾純化裝置包括串聯的第一精餾塔、第二精餾塔和第三精餾塔。
13.根據權利要求12所述的設備，其特徵在於，所述第一精餾塔的精餾溫度為60-100攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為10-50:1 ;所述第二精餾塔的精餾溫度為100-140攝氏度，壓力為0.5MPa，回流比為20-50:1 ;所述第三精餾塔的精餾溫度為60-80攝氏度，壓力為0.2MPa，回流比為20-50:1。
14.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，在所述歧化反應裝置中，所述歧化反應是在50-80攝氏 度，0.2-0.6MPa的條件下進行的。
15.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述歧化反應裝置為歧化反應器，所述歧化反應器進一步包括: 歧化反應器本體，所述歧化反應器本體內限定出歧化反應空間，並且所述歧化反應空間中設置有催化劑層； 三氯氫矽進料口，所述三氯氫矽進料口設置在所述催化劑層的下方，用於向所述歧化反應空間中供給三氯氫矽；以及 歧化反應產物出料口，所述歧化反應產物出料口設置在所述催化劑層的上方，用於將所形成的包含四氯化矽和矽烷的歧化反應產物排出所述歧化反應器。
16.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述第二精餾純化裝置為低溫精餾塔，其中，所述低溫精餾塔中的溫度為-60--80攝氏度，壓力為0.6-1.0MPa,回流比為5-20:1。
17.根據權利要求8所述的設備，其特徵在於，進一步包括汽化處理裝置，所述汽化處理裝置分別與所述第二精餾純化裝置和所述熱解反應裝置相連，用於在熱解反應之前，預先將以液體形式儲存的矽烷氣體進行汽化處理。
18.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述熱解反應裝置為還原爐，所述還原爐中設置有矽芯作為晶體沉積的載體。
19.根據權利要求18所述的設備，其特徵在於，所述還原爐為鐘罩式還原爐。
20.根據權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述還原爐內設置有12、24或36對矽棒。
21.根據權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述還原爐內的溫度為750-900攝氏度，壓力為0.15-0.30MPa。
22.根據權利要求8所述的設備，其特徵在於，進一步包括: 閃蒸處理裝置，所述閃蒸處理裝置與所述第一精餾純化裝置相連，用於將所述第一精餾殘液進行閃蒸處理，以便獲得四氯化矽氣體和固體殘渣；第二冷凝裝置，所述第二冷凝裝置分別與所述閃蒸處理裝置和所述氣液混合裝置相連，用於將所述四氯化矽氣體進行冷凝處理，以便獲得四氯化矽液體，並將所述四氯化矽液體供給至所述氣液混合裝置，用於所述氯氫化合成反應；以及 殘渣處理裝置，所述殘渣處理裝置與所述閃蒸處理裝置相連，用於將所述固體殘渣依次進行鹼液水解中和處理以及壓濾處理。
23.根據權利要求17所述的設備，其特徵在於，進一步包括: 第一壓縮裝置，所述第一壓縮裝置與所述熱解反應裝置相連，用於將熱解反應的還原尾氣進行壓縮至壓力為6.0-10.0MPa ；以及 第三冷凝裝置，所述第三冷凝裝置與所述第一壓縮裝置、所述氣液混合裝置和所述汽化處理裝置相連，用於將經過壓縮的還原尾氣冷凝至溫度為-100--120攝氏度，以便將矽烷氣體冷凝為矽烷液體並獲得氫氣，以及將所述矽烷液體供給至所述汽化處理裝置，將所述氫氣供給至所述氣液混合裝置，用於所述氯氫化合成反應。
24.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，進一步包括: 第二壓縮裝置，所述第二壓縮裝置用於將各裝置中所產生的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣進行壓縮至壓力為0.25-0.50MPa ； 第四冷凝裝置，所述第四冷凝裝置分別與所述第二壓縮裝置和所述第一精餾純化裝置相連，用於將經過壓縮的含有氯矽烷但不含矽烷的尾氣冷卻至溫度為-15--30攝氏度，以便獲得氯矽烷液體和剩餘氣體，並將所述氯矽烷液體供給至所述第一精餾純化裝置用於所述第一精餾純化處理； 淋洗裝置，所述淋洗裝置與所述第四冷凝裝置相連，用於將所述剩餘氣體進行淋洗，以便獲得經過淋洗的氣體和淋 洗水；以及 淋洗水處理裝置，所述淋洗水處理裝置與所述淋洗裝置相連，用於利用鹼液對所述淋洗水進行中和，並對中和後液進行壓濾，以便得到中和水和濾渣。
25.根據權利要求24所述的設備，其特徵在於，將所述中和水供給至所述淋洗裝置，用於對所述剩餘氣體進行淋洗。
【文檔編號】C01B33/03GK103449440SQ201310373759
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月23日 優先權日:2013年8月23日
【發明者】萬燁, 張升學, 嚴大洲, 毋克力, 肖榮輝, 湯傳斌, 楊永亮 申請人:中國恩菲工程技術有限公司