流化床反应器及其用于制备高纯粒状多晶硅的方法技术

本发明专利技术公开了一种流化床反应器及其用于制备高纯粒状多晶硅的方法，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反应室，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，其特征在于所述反应管由反应内管和反应外管构成，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，所述中空腔体填充氢气、氮气或惰性气体保护，并维持0.01~5MPa的压力。本发明专利技术的流化床反应器采用感应加热的方式直接加热反应室内部硅颗粒，使得反应管温度比反应室内部温度低，从而避免管壁沉积，同时加热更加均匀，适用于大直径流化床反应器，单套反应器的生产能力大大提高。

Fluidized bed reactor and method for preparing high-purity granular polysilicon

The invention discloses a fluidized bed reactor and method for preparation of high purity granular polysilicon, including reaction tube, distributor and heating device, the reaction tube and in the reaction tube at the bottom of the distributor constitutes a reaction chamber, a gas distributor in the import and export products, the reaction tube is arranged on the upper part of the top or the tail gas outlet and the seed feeding port, which is characterized in that the reaction tube from the inner tube and the outer tube reaction reaction, the heating device is a hollow cavity of the induction heating device and is located inside and outside the tube, the hollow cavity filled with hydrogen, nitrogen or inert gas protection, and maintain the pressure of 0.01~5MPa. The fluidized bed reactor of the invention adopts the induction heating way of direct heating of the reaction chamber of silicon particles, the reaction tube temperature than the reaction chamber temperature is low, thereby avoiding the wall deposition, and more uniform heating, suitable for large diameter fluidized bed reactor, a single set of reactor production capacity has greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
流化床反应器及其用于制备高纯粒状多晶硅的方法本申请为201310131179.x号专利技术专利申请的分案申请，主张201310131179.x号专利技术专利申请的申请日作为本分案申请的申请日。
本专利技术涉及多晶硅制备
，具体涉及一种采用感应加热的流化床反应器及其制备高纯粒状多晶硅的方法。
技术介绍
高纯多晶硅材料是半导体和光伏产业的基础原料，随着分布式光伏发电的逐步推广，国内光伏市场开始兴起，必将助推多晶硅产业再次快速发展。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，在反应器内的硅芯表面（硅芯被加热至1000～1150℃）发生化学气相沉积反应，使硅芯逐渐长成棒状多晶硅，尾气中包含未反应的三氯氢硅、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，流化床法这种沉积表面积大、化学气相沉积能耗低且连续运行的多晶硅生产工艺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（SiCl4）、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（SiHCl3），将SiHCl3再进一步歧化加氢反应生成二氯二氢硅（SiH2Cl2），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℃~1200℃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引入污染。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，但需要特定的微波发生装置，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器内部物料的温度，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。特别是流化床大型化后这种矛盾更加突出，反应器壁的温度过高并发生硅沉积，但反应器中心温度无法达到硅烷或氯硅烷的分解温度，这样不仅影响反应器的生产效率，还不得不因为器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。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CN102745692A公开了一种内部加热流化床反应器，通过伸入流化床内部的与电极相连的电阻元件通过供电来供热，该电阻元件由石墨、碳化硅等陶瓷、或金属材质中的至少一种组成，电阻加热元件外面设有保护罩，保护罩表面优选用硅、二氧化硅、石英、氮化硅等涂布或衬里。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高纯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继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，又便于安装，安全性能好。据报道，在圆线圈平面内部任意一点的磁场强度均相等或近似相等。考虑到感应加热仅加热位于磁场内的导体，本专利技术的专利技术人将感应加热引入流化床反应器中，即颗粒硅流化床采用感应加热，无论床体直径多大，流化床中心磁场强度和床内部周边的磁场强度相等，从而解决了流化床大型化带来的加热困难和内壁沉积严重的问题，并通过进一步研究完成了本专利技术。
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感应加热的流化床反应器，利用感应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，继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高纯粒状多晶硅的方法。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反应室密闭空间，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，其特征在于所述反应管由反应内管和反应外管构成，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，所述中空腔体填充氢气、氮气或惰性气体保护，并维持0.01~5MPa的压力。其中，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。进一步地，所述感应线圈为一组或多组。在一个优选的实施方案中，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；更优选地，所述内衬材质为石英、石墨或碳化硅；进一步优选地，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。在一个优选的实施方案中，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。在一个优选的实施方案中，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，所述反应内管材本文档来自技高网...

【技术保护点】
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反应室密闭空间，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，其特征在于所述反应管由反应内管和反应外管构成，所述反应内管外侧还包括保温层，所述反应内管的直筒段为反应区，所述反应内管选用导电性能差的耐高温材质，所述反应外管选用金属、金属合金、碳钢、不锈钢或其他合金钢中的至少一种，所述加热装置仅为采用中频或高频交流电的感应加热装置且位于内外管构成的中空腔体内，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，所述中空腔体填充氢气、氮气或惰性气体保护，并维持0.01~5MPa的压力，其中感应加热装置的交流电频率为1kHz~200kHz。

【技术特征摘要】
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反应室密闭空间，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，其特征在于所述反应管由反应内管和反应外管构成，所述反应内管外侧还包括保温层，所述反应内管的直筒段为反应区，所述反应内管选用导电性能差的耐高温材质，所述反应外管选用金属、金属合金、碳钢、不锈钢或其他合金钢中的至少一种，所述加热装置仅为采用中频或高频交流电的感应加热装置且位于内外管构成的中空腔体内，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，所述中空腔体填充氢气、氮气或惰性气体保护，并维持0.01~5MPa的压力，其中感应加热装置的交流电频率为1kHz~200kHz。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。3.根据权利要求1或2所述的流化床反应器，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。4.根据权利要求3所述的流化床反应器，其特征在于所述感应线圈为一组或多组。5.根据权利要求4所述的流化床反应器，其特征在于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。6.根据权利要求4所述的流化床反应器，其特征在于所述内衬材质为石英或碳化硅。7.根据权利要求6所述的流化床反应器，其特征在于所述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。8.根据权利要求4所述的流化床反应器，其特征在于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。9.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为三层结构由上、中、下三层底板构成，上、中底板构成冷却流体腔体，冷却流体腔体与冷却流体进、出管道连通，中、下底板构成混合进气腔体，混合进气腔体与进气管道连通并通过一个或多个进气喷嘴将混合气体喷入流化床反应器。10.根据权利要求4所述的流化床反应器，其特征在于所述感应加热装置的交...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文武，江宏富，吴锋，
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