本发明专利技术涉及通过用熔融的Ｚｎ金属还原ＳｉＣｌ↓［４］生产高纯硅的方法和设备。该方法的特征在于与溶解ＺｎＣｌ↓［２］的熔融盐接触发生所述还原反应。所述还原反应过程中产生的ＺｎＣｌ↓［２］然后溶解在所述熔融盐中而不是蒸发。其优势在于在所述还原反应过程中的气体逸出最小化，导致更高的ＳｉＣｌ↓［４］和Ｚｎ利用率，并且从而导致更高的Ｓｉ收率。另一个优势在于所述熔融盐有效地保护了空气敏感物料Ｚｎ、ＳｉＣｌ↓［４］和Ｓｉ在还原反应过程中免于氧化。得到的含有ＺｎＣｌ↓［２］的熔融盐可以用于ＺｎＣｌ↓［２］的电解以再次产生所述Ｚｎ金属。所述电解过程中释放的氯气可以用来产生ＳｉＣｌ↓［４］。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生产高纯硅的方法和反应器本专利技术涉及通过液体状态的Zn金属还原四氯化珪(SiCl,)生产 太阳能级(高纯)硅金属的方法和设备。高纯硅金属有很多应用，其中用于电子工业的半导体材料和由光 产生电流的光伏电池是最重要的。目前，高纯硅在商业上是通过高纯 气态硅化合物的热分解产生的。最普通的方法使用SiHCh或SiH这 些气体在热的高纯硅基材上热分解为硅金属和气体副产物。现有的方法，特别是热分解步骤，能量非常密集，并且工业生产 装置巨大且昂贵。致力于解决这些问题并且同时能够提供足够纯度的 S i金属的任何新方法因此是高度合意的。长久以来早就知道高纯Zn金属还原高纯SiCh具有产生高纯Si 金属的潜力。1949年，D. W. Lyon，C. M. Olson，和E. D. Lewis (全 属于DoPont公司)在J. Electrochem. Soc. ( 1949年,96， 359页) 发表了描述由Zn和SiCh制备超纯硅的文章。他们使气态Zn与气态 SiCh在950。C下反应，获得高纯Si。后来，Batelle Columbus实验 室的研究人员进行类似的试验，但规模大得多。将气态SiCl,和气态 Zn进料到流化床反应器中，在那里形成Si颗粒(见例如D. A. Seifert 和M. Browning, AIChE Symposium Series ( 1982 ) ， 78 (216)，第 104-115页)。还在多个专利中描述了 SiCL在熔融Zn中的还原反应。 美国专利4225367描述了生产硅金属薄膜的方法。将气态含硅物种导 入含有液体含Zn合金的室内。所述气态硅物种在该合金表面上被还 原，并作为薄的Si膜沉积在那里。JP 1997-246853，封闭循环中高 纯硅的生产描述了高纯硅的生产方法。液态或气态SiCL被熔融的 Zn还原，给出多晶Si和ZnCl2。 ZnCh通过蒸馏与Si分开，并将ZnCl2 进料到电解池中，在那里产生Zn和Cl2。所述Zn用来在单独的反应器 中还原SiCl而所述氯气用H处理给出HC1，HC1用于氯化冶炼级Si。从而在所述方法中回收Zn和Cl。荻得的Si具有适合在太阳能电池中 使用的质量。WO2006/100114中描述了类似的方法。它和 JP1997-246853之间的区别在于Si的熔融源于SiCl4与要被熔融的Zn 的还原反应，并且从而在与SiCl4还原反应中使用的容器相同的容器 中由Zn和ZnCl2提纯。不需要JP1997-246853中描述的密闭循环。上述通过SiCh与Zn的还原反应生产高纯硅的所有已知方法中， ZnCl2以气体形式离开反应器。Zn金属在操作温度下的蒸气压也是显 著的，以及因此一些Zn会随着ZnCh离开。此外，因为反应SiCl4+2Zn=Si+2ZnCl2 在高于ZnCl2沸点的温度下不是完全向右进行的，故还原反应的废气 也含有一些SiCl4。在废气的冷却过程中，SiCl4与Zn反应给出Si和 ZnCl2。反应器中主要的平衡条件因此产生含Zn和Si金属的ZnCh冷 凝物。考虑到现有技术已知的解决方案，本专利技术阐述了通过液体状态的 锌金属还原四氯化硅(SiCl4)生产高纯硅金属的方法和设备的新颖而 且巨大的改进，因为上面示出的还原反应完全向右进行。根据本专利技术 的方法是有效的，并且建造和运行所述设备是简单且价廉的。根据本专利技术的方法，其特征在于所附的独立的权利要求1中所定 义的特征。此外，根据本专利技术的设备的特征在于所附的独立的权利要 求11中所定义的特征。权利要求2~ 10和12~ 19定义了本专利技术的有 利的实施方案。下面，通过实施例以及参考附图l描述本专利技术，其中附附图说明图1以横 截面侧视图显示根据本专利技术的反应器的主要简图。参考图1，那里显示了用于由Zn还原SiCl,的反应器5，其中该 反应器除了反应器底部的Zn池1之外，还含有在该液体Zn池上方的 液体Si层和在所述Si顶部的适合的盐层3。在所述反应器中，通过 使SiCL经由管道、喷枪或类似物4鼓泡穿过反应器5的底部的液体 Zn池1而发生SiCL的还原。SiCh可以以气体或在加料过程中会蒸发 的液体形式加入。Zn金属以液体或固体形式加入到反应器中，它进而由于反应器存在的温度而熔融。所述管道4可以具有确保SiCL和Zn之间的良好反应的任何形状。 一个或几个管道、旋转气体分散器，或歧管设计代表了确保将SiC有效地在反应器5的底部分散到液体Zn1中的可能方案的实例。Zn和SiCl,之间的反应得到的Si在所述方法的过程中作为在熔融盐3和Zn之间的层2进行收集。 一般地，该Si层由Si和Zn的混合物组成，其可以通过泵吸或通过机械抓取在定期的间隔内移出或连续地移出。SiCh和Zn之间的反应的其它产物，ZnCh,溶解在熔融盐3中，并且从而在操作过程(所述还原过程)中富集该熔融盐。因此富集了 ZnCl2的熔融盐可以通过泵吸、抓取或通过流经适当的通道或管道而被移出。为了替换所移出的盐，可以通过泵送、倾倒或通过流经适当的通道或管道将含有较少ZnCh或不含ZnCh的熔融盐加入到反应器中。如上所述，本专利技术展现了对以前已知的方法的巨大改进，改进之处在于所述还原反应完全向反应SiCl4+2Zn-Si+2ZnCh的右边进行。这通过与能够溶解所生成的ZnCl2的熔融盐直接接触进行还原来实现。在发生还原反应的地方，所迷熔融盐具有比熔融的Zn更低的密度，并且因此浮在液体Zn的顶部。所述还原过程中释》文的ZnCh会漂浮或沸腾至金属顶部，在那里它将溶解在熔融盐中。如果ZnCh的温度低于正常熔点，它会漂浮，而如果它高于沸点，它会以气泡的形式上升(沸腾)。任何一种情况下，所述ZnCl2会溶解在熔融盐中。因此ZnCl2仍处于液体状态，而不是像从现有技术中已知的那样蒸发。ZnCl2甚至在高于其正常沸点的温度下仍保持为液体。所述熔融盐还用来在产生的Si和周围气氛之间产生障碍物，从而防止氧化。所述熔融盐优选是氯化物基的， 一般由碱金属氯化物、碱土金属氯化物或它们的混合物组成。所述还原可以在高于和低于ZnCh的正常沸腾温度下进行，然而，所述温度应当优选介于Zn的正常熔点和沸点之间。所述熔融盐可以与ZnCl2的熔融盐电解反应中使用的熔融盐相同。可以连续或在定期的间隔内移出所述反应器中产生的Si。可以连续地或在定期的间隔内移出含有所产生的ZnCl2的熔融盐。有必要替换从所迷反应器中移出的熔融盐。可以连续地或在定期的间隔内做到这一点。至于反应器5的设计和结构，可以进行几种材料的选择。因为本专利技术的目的是生产高纯硅，必须使用不对Si产生太高污染的材料。所述反应器可以内衬适合的砌砖，例如氧化铝基、氧化硅基、碳材料、氮化硅基、碳化硅基、氮化铝基的或这些材料的组合。优选的是与所述熔融盐或所述金属直接接触的材料是硅基的，即氧化硅、氮化硅、碳化硅或这些材料的组合。也可以使用碳。虽然图1中未标明，还必须有可能向所述反应器供热量(能量)。因此，通过将所述反应器放入适当的炉中可以完成加热。还有可能感应加热所述熔融的Zn,例如通过^f吏电流穿过溶融盐而电阻加热(resistance heating)。反应SiCl4 ( g) +Zn ( 1 ) =2ZnCl2 ( 1 )本文档来自技高网...
【技术保护点】
在反应器（５）中通过液体状态的锌金属（Ｚｎ）还原四氯化硅（ＳｉＣｌ↓［４］）来间歇或连续生产高纯硅（Ｓｉ）金属的方法，其特征在于： Ｚｎ还原ＳｉＣｌ↓［４］发生在反应器（５）中，所述反应器（５）中除Ｓｉ和Ｚｎ以外，还含有熔融盐和溶解在 所述盐中的ＺｎＣｌ↓［２］。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】NO 2007-4-2 200717621.在反应器(5)中通过液体状态的锌金属(Zn)还原四氯化硅(SiCl4)来间歇或连续生产高纯硅(Si)金属的方法，其特征在于Zn还原SiCl4发生在反应器(5)中，所述反应器(5)中除Si和Zn以外，还含有熔融盐和溶解在所述盐中的ZnCl2。2. 根据权利要求1的方法，其特征在于SiCL作为气体或作为液 体以连续或半连续的方式加入。3. 根据权利要求1和2的方法，其特征在于通过一个或几个喷 枪将SiCl4加入到所述液体Zn中。4. 根据权利要求1和2的方法，其特征在于通过旋转气体分散 器将SiCl4加入到所述液体Zn中。5. 根据权利要求1和2的方法，其特征在于通过具有几个气体 出口孔的歧管将SiCl4加入到所述液体Zn中。6. 根据权利要求1-5的方法，其特征在于通过泵吸移出所产生 的Si。7. 根据权利要求1-5的方法，其特征在于通过4爪取机械地移出 所产生的Si。8. 根据权利要求1-7的方法，其特征在于将操作温度保持在Zn 的熔点和正常沸点之间。9. 根据权利要求1-8的方法，其特征在于所述熔融盐包含任何 碱金属囟化物、任何碱土金属卣化物或它们的混合物。10. 根据权利要求1-...
【专利技术属性】
技术研发人员：C罗森科尔德，
申请(专利权)人：诺尔斯海德公司，
类型：发明
国别省市：NO[挪威]
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