流化床反应器及其用于制备粒状多晶硅和三氯氢硅的方法技术

本发明专利技术公开了一种流化床反应器及其用于制备粒状多晶硅和三氯氢硅的方法，在流化床反应器中通过正负电极且电流流经硅颗粒，利用电阻加热方式对反应器内的硅颗粒进行供热。采用本发明专利技术的流化床反应器，能够提高所得产品的纯度，降低成本，允许大直径反应器的工业化应用，提高产量，同时，能够减少反应器内壁温度，继而减少内壁的硅沉积。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多晶硅制备
，具体涉及一种采用电阻加热的流化床反应器及其制备高纯粒状多晶硅和三氯氢硅的方法。
技术介绍
多晶硅材料一直是半导体和光伏产业的基础原料，近几年来，高速增长的光伏产业推动着多晶硅行业迅速发展，制备多晶硅的方法有改良西门子法、冶金法、流化床法等。其中改良西门子法生产的多晶硅占世界总产量的80%以上，其核心制程是三氯氢硅经精馏提纯后与高纯氢一起送入反应器，在反应器内的娃芯表面(娃芯被加热至1000?1150°C)发生化学气相沉积反应，使娃芯逐渐长成棒状多晶娃，尾气中包含未反应的三氯氢娃、二氯二氢硅、四氯化硅、氢气和氯化氢，经尾气回收工艺分离提纯后回收利用。由于改良西门子法在硅棒长大到一定尺寸后需停炉收获“硅棒”(指棒状多晶硅产品)，这一开、停炉的间歇操作过程不仅浪费大量的热量，还很大程度上降低了反应器的产能。为此，流化床法这种连续的多晶硅生产工艺应运而生，并越来越受到人们的关注。流化床法是美国联合碳化学公司早年研发的多晶硅制备工艺技术。该方法是以四氯化硅(SiC14)、H2、HCl和工业硅为原料，在高温高压流化床内(沸腾床)生成三氯氢硅(SiHC13)，将SiHC13再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅(SiH2C12)，继而歧化生成硅烷，硅烷或氯硅烷通入加有颗粒硅籽晶(也叫做“硅籽晶”)、500°C?1200°C的反应温度的流化床反应器内进行连续热分解反应，生成粒状多晶硅产品。按照通入流化床反应器内的含硅气体的种类，通常分为硅烷流化床和氯硅烷流化床(例如三氯氢硅流化床)。由于在流化床反应器内参与反应的颗粒硅表面积大，故该方法生产效率高、电耗低、成本低。流化床法的另一优点是:在下游的晶体生长过程中，颗粒硅可以直接装入晶体生长的坩埚中，但传统的改良西门子法生产的棒状多晶硅产品在装入坩埚之前需要进行破碎和分选处理，另外还需要例如用高纯度无机酸刻蚀、用超纯水清洗、干燥以及在干净的环境下处理等一系列的工艺过程。因此，棒状多晶硅产品较颗粒硅后期处理成本高，且在这一过程中还容易弓I入污染。目前，流化床反应器大多采用外部加热的方式，即采用外部加热流化床床层颗粒的方法提供热量，例如通过内衬和/或反应器隔离层加热。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，但成本太高。美国专利US7029632公开了一种辐射加热流化床反应器，通过反应器内管外围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的方式。这种热辐射或热传导的外部加热方式会造成反应器的温度大于反应原料的温度，易导致反应器内壁沉积多晶硅，阻碍热量向流化床内部传递，因此这种加热方式通常会给体系带来较大的能量损失。通常，通过将加热区和反应区分离来减小器壁的沉积，例如，美国专利2002/0081250公开了一种加热区和反应区分开的流化床反应器，加热区位于反应区下方；甚至中国专利申请200810116150.3将加热区与反应区隔离开来，形成一个反应器体外循环。外部加热方式方法的显著缺点是加热均匀性差，尤其是对于大尺寸的流化床反应器而言，加热效率低，器壁与反应器中心的温差很大，导致安全性较差，器壁易沉积硅粉，产品的纯度也不高；内部加热的流化床反应器，也存在易在加热装置上沉积硅等缺陷。中国专利申请201010116785.0公开了一种内部加热流化床反应器，通过反应器内设置的导流筒将反应器分为加热区和反应区，加热区通过电阻加热元件将硅粉颗粒加热，且加热区不通入含硅气体，减少壁面沉积。中国专利申请200780015545.8公开了一种内部加热流化床反应器，下部通过电阻发热体加热，通过伸至反应区的喷嘴直接将含硅气体喷入反应区，避免硅在加热区沉积。但流化床的强返混特性导致部分含硅气体进入加热区，由于加热元件温度比气相温度和固体颗粒温度高，使得在加热元件上发生沉积，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，从而影响反应器的运行周期，直接影响到反应器的生产能力。因此仍旧需要一种新型的制备粒状多晶硅的流化床反应器，克服上述缺陷，既能减少反应器内壁温度进而减少内壁的硅沉积；又能提高颗粒硅产品的纯度，降低成本；还适用于大直径反应器的工业化应用，提高反应器生产能力。本专利技术的专利技术人长期致力于流化床反应器的设计工作，考虑到硅颗粒在一定温度下是良好的电导体，可通过电阻加热的方式对反应器内的硅颗粒本身进行加热，从而完成了内部电阻加热的流化床反应器这一专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的为提供一种新型的制备粒状多晶硅的内部电阻加热的流化床反应器(EFBR)，即在流化床反应器中通过正负电极，利用内部电阻加热方式对反应器内的硅颗粒进行供热，采用此技术方案，能够提高所得产品的纯度，降低成本，允许大直径反应器的工业化应用，提高产量，同时，能够减少反应器内壁温度，逐而减少内壁的硅沉积。本专利技术的另一目的是提供这种流化床反应器用于制备粒状多晶硅的方法。本专利技术的还一个目的是提供这种流化床反应器用于制备三氯氢硅的方法。为了实现上述目的和技术效果，本专利技术采用如下的技术方案: 一种流化床反应器，包括壳体，设置于所述壳体上部的籽晶进料口和反应尾气出口、设置于所述壳体下部的原料气进口和产品出口、还包括加热装置，所述壳体构成反应器的内部空间，其特征在于所述加热装置由至少一个位于所述反应器内部的电极正极，和由所述反应器壳体构成的电极负极构成；或所述加热装置由至少一个位于所述反应器内部的电极正极，和至少一个位于所述反应器内部的电极负极构成。在一个优选的实施方案中，所述加热装置由至少两个位于所述反应器内部的电极正极，和由所述反应器壳体构成的电极负极构成；或所述加热装置由至少两个位于所述反应器内部的电极正极，和至少两个位于所述反应器内部的电极负极构成。在一个优选的实施方案中，所述加热装置由一个位于所述反应器内部的电极正极，和围绕所述电极正极的至少两个电极负极组成的电极笼构成。更优选地，所述加热装置由位于所述反应区的至少两个电极笼构成。其中，所述电极为棒状、平板状或圆盘状，且所述正负电极彼此平行放置，不直接接触。其中，所述电极由石墨、碳纤维、碳化硅、硅、钨、铼、锇、钽、钥、铌、铱、铷、锝、铪、铑、钒、铬、锆、钼、钍、镧、钛、镥、钇、铁、镍或铝金属或其合金制成，优选地，所述电极表面具有碳化硅涂层。在一个更优选的实施方案中，所述加热装置由一个位于所述反应器内部中心的电极正极，和由所述反应器壳体构成的电极负极构成。其中，所述反应器壳体材质为石墨、碳化硅、或石墨表面具有碳化硅涂层；所述反应器还包括内衬，所述内衬由一层或多层硅或碳化硅材质组成，且所述内衬为可拆装结构。其中，所述内衬与所述反应器壳体之间还包括填充层。所述填充层选自本体填充炭黑粉体、块状或砖状或可铸造材料隔离层、或气体空隙中的任一种或几种结合。其中，所述流化床反应器还包括产品分选装置、产品冷却器、送灰器、电热流化床加热器，所述产品出口与所述产品分选装置相连，分选合格的产品经产品冷却器进入后续工序，分选不合格的细微硅粉产品经送灰器和电热流化床加热器循环进入流化床床层。其中，所述电热流化床本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流化床反应器，包括壳体，设置于所述壳体上部的籽晶进料口和反应尾气出口、下部的原料气进口和产品出口、加热装置，所述壳体构成反应器的内部空间，其特征在于所述加热装置由至少一个位于所述反应器内部的电极正极，和由所述反应器壳体构成的电极负极构成；或所述加热装置由至少一个位于所述反应器内部的电极正极，和至少一个位于所述反应器内部的电极负极构成。

【技术特征摘要】
1.一种流化床反应器，包括壳体，设置于所述壳体上部的籽晶进料口和反应尾气出口、下部的原料气进口和产品出口、加热装置，所述壳体构成反应器的内部空间，其特征在于所述加热装置由至少一个位于所述反应器内部的电极正极，和由所述反应器壳体构成的电极负极构成；或 所述加热装置由至少一个位于所述反应器内部的电极正极，和至少一个位于所述反应器内部的电极负极构成。2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于所述加热装置由一个位于所述反应器内部的电极正极，和围绕所述电极正极的至少两个电极负极组成的电极笼构成。3.根据权利要求2所述的流化床反应器，其特征在于所述加热装置由位于所述反应器内部的至少两个电极笼构成。4.根据权利要求1或2或3所述的流化床反应器，其特征在于所述电极为棒状、平板状或圆盘状，且所述正负电极彼此平行放置，不直接接触。5.根据权利要求4所述的流化床反应器，其特征在于所述电极由石墨、碳纤维、碳化娃、娃、鹤、铼、锇、钽、钥、银、铱、铷、锝、铪、错、fK、铬、错、钼、娃、镧、钛、镥、乾、铁、镍或招金属或其合金制成，电极表面优选具有碳化硅涂层。6.根据权利要求5所述的流化床反应器，其特征在于所述加热装置由一个位于所述反应器内部中心的电极正极，和由所述反应器壳体构成的电极负极构成。7.根据权利要求1或6所述的流化床反应器，其特征在于所述反应器壳体材质为石墨、碳化硅、或石墨表面具 有碳化硅涂层；所述反应器还包括内衬，所述内衬由一层或多层硅或碳化硅材质组成，且所述内衬为可拆装结构。8.根据权利要求7所述的流化床反应器，其特征在于所述内衬与所述反应器壳体之间还包括填充层。9.根据权利要求8所述的流化床反应器，其特征在于所述填充层选自本体填充炭黑粉体、块状或砖状或可铸造材料隔离层、或气体充注空隙中的任一种或几种结合。10.根据权利要求1或6或9所述的流化床反应器，其特征在于所述流化床反应器还包括产品分选装置、产品冷却器、送灰器、电热流化床加热器，所述产品出口与所述产品分选装置相连，分选合格的产品经产品冷却器进入后续工序，分选不合格的细微...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·德西尔诺，
申请(专利权)人：江苏中能硅业科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32