同时生产多尺寸多晶硅和多种类硅基气体的系统的制作方法

1.本实用新型涉及多晶硅生产领域，尤其涉及同时生产多尺寸多晶硅和多种类硅基气体的系统。


背景技术：

2.多晶硅和硅基气体是一种重要的原材料，主要应用在光伏和集成电路领域。不同尺寸的多晶硅具有不同的用途，例如几厘米至几十厘米尺寸的块状多晶硅被用作拉制单晶硅棒的原料，几毫米尺寸的多晶硅可用作单晶硅棒连续拉制过程中的添加料，而纳米尺寸的多晶硅可用在高性能电池制造或碳化硅制备领域。硅基气体，例如三氯氢硅(sihcl3)、四氯化硅(sicl4)等化学通式为si
x
h
y
cl
z
(1≤x≤2，0≤y≤6，0≤z≤6)的单体或聚合氯硅烷，它们的理化性质各有不同，因此被分别用作前体或直接原料，以在硅电池片或集成电路各制造步骤中制备不同性能的含硅薄膜，其中四氯化硅还可用于制备光纤预制棒。由此可见，多尺寸多晶硅和多种类硅基气体对在国民经济中占关键地位的光伏能源产业及集成电路产业的发展具有重要意义。
3.改良西门子法和流化床法是当下制备多晶硅的两种主流方法。改良西门子法的特征是，在钟罩式化学气相沉积(cvd)反应器中，以通电自加热至温度为900
‑
1200℃的细硅芯为沉积载体，通入还原炉的三氯氢硅与氢气在热硅芯表面发生氢还原反应，被还原的硅沉积在硅芯表面，随着氢还原反应的进行，硅芯的直径逐渐变大，直至达到规定的尺寸，最终以多晶硅硅棒的形式采出。流化床法的特点是，在流化床反应器(fbr)中，以小粒径颗粒状多晶硅为沉积载体(晶种)，反应温度为500
‑
1200℃，反应介质为硅烷或氯硅烷与氢气，推动晶种在反应介质气体中浮动翻滚，原料在晶种表面发生热分解反应或者还原反应生成单质硅，产生的单质硅沉积在颗粒硅籽晶表面，随着反应的进行，颗粒硅籽晶的粒径逐渐变大，直至达到规定的尺寸，最终以毫米级颗粒状多晶硅的形式采出。纳米级多晶硅(粉末多晶硅)的生产主要通过研磨改良西门法产多晶硅棒的方式来实现。
4.合成法是制备硅基气体的主流方法，其特征是，在流化床反应器内，以金属级硅和氯化氢或氯硅烷为原料，在加热、加压或催化剂存在条件下，通过改变反应温度、反应压力或催化剂种类，合成所需的硅基气体及其他副产物，再经过复杂的分离、除杂等过程，最终获得高纯度的硅基气体产品。改良西门子法和流化床法多晶硅制备工艺中，高纯度的氯硅烷原料除经氢还原或热分解为单质硅外，还会转变成多种单体或者聚合氯硅烷，由于氯硅烷原料具有很高的纯度，加之反应体系或者反应场所内金属或者其他元素污染概率低，因此通过简单的精馏操作便可从多晶硅制备工艺尾气中获得单一组分的高纯单体或聚合氯硅烷。
5.目前，多晶硅和硅基气体的制备系统的分散性与独立性比较突出，通常需要独立的多套系统，以实现棒状多晶硅、颗粒状多晶硅或者粉末多晶硅等其他尺寸多晶硅的制备，或者需要分设于两地的生产系统去独立地制备多晶硅和硅基气体，这种制备模式不仅具有高投资成本及高运行成本的缺点，还会引发物料利用率低、技术革新及产业革新慢等问题。
多晶硅和硅基气体同属硅基物质，从制备原理角度来看，多晶硅的制备和硅基气体的制备互为可逆过程，通过开发专用设备、合理设计制备系统及精确控制制备工艺，可以打破多尺寸多晶硅、多种类硅基气体以及多晶硅和硅基气体间的制备壁垒，从而实现多尺寸多晶硅和多种类硅基气体的同时生产。
6.鉴于上述背景，需要急切开发一种同时生产多尺寸多晶硅和多种类硅基气体的系统，以满足光伏能源产业和集成电路产业对不同尺寸多晶硅和多种类硅基气体的需求，可以降低整体多晶硅/硅基气体工厂投资和生产成本，进而促进光伏发电普及应用和我国集成电路产业的快速发展。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同时生产多尺寸多晶硅和多种类硅基气体的系统。
8.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
9.本实用新型的第一方面，提供同时生产多尺寸多晶硅和多种类硅基气体的系统，包括多晶硅还原炉、流化床反应器、粉末多晶硅收集装置、第一换热器、第二换热器、第一精馏塔、第二精馏塔、第三精馏塔、第四精馏塔、第五精馏塔、第六精馏塔、第一分离塔、第一混合器、第二混合器及氯硅烷反应器；
10.多晶硅还原炉尾气管线和流化床反应器尾气管线合并后与粉末多晶硅收集装置进气管线连接；粉末多晶硅收集装置的出气管线分为两路，分别与第一换热器和第二换热器的管程入口连接；第一换热器和第二换热器管程出口管线合并后与第一精馏塔进料口连接；第一精馏塔的塔顶与第一分离塔进料口连接，第一精馏塔的塔釜与第二精馏塔进料口连接；第二精馏塔的塔顶与第三精馏塔进料口连接，第二精馏塔的塔釜与第四精馏塔进料口连接；第四精馏塔的塔顶与第五精馏塔进料口连接，第四精馏塔的塔釜与第六精馏塔进料口连接；第六精馏塔的塔顶与氯硅烷反应器连接；第五精馏塔塔顶与第一换热器的壳程进口连接；第三精馏塔的塔釜出口管线与第二换热器的壳程进口连接；第一分离塔的塔顶出口管线分为两路，其中一路与第一混合器的进口连接，另外一路与第二混合器的进口连接；第一换热器壳程出口通过管线与第一混合器的进口连接，第二换热器壳程出口通过管线与第二混合器的进口连接；第一混合器壳程出口通过管线与多晶硅还原炉进料口连接，第二混合器的壳程出口通过管线与流化床反应器进料口连接。
11.进一步地，在所述多晶硅还原炉内，设置有硅芯；所述硅芯持续生长成为多晶硅棒。
12.进一步地，所述硅芯持续生长成为多晶硅棒的直径为120
‑
150mm、高为2600
‑
3000mm。
13.进一步地，所述系统还包括破碎装置，所述破碎装置用于对所述多晶硅棒进行破碎处理，得到尺寸为几厘米至几十厘米尺寸的块状多晶硅。
14.进一步地，在所述流化床反应器内，设置有硅籽晶；所述硅籽晶持续生长为颗粒硅。
15.进一步地，所述颗粒硅为几微米尺寸的颗粒多晶硅。
16.进一步地，在所述粉末多晶硅收集装置内直接获得几十纳米至几百纳米的粉末多
晶硅。
17.进一步地，从第三精馏塔的塔顶采出一氯硅烷，从第三精馏塔的塔釜采出二氯硅烷。
18.进一步地，从第五精馏塔的塔顶采出三氯硅烷，从第五精馏塔的塔釜采出四氯硅烷。
19.进一步地，从第六精馏塔的塔顶采出五氯乙硅烷，从第六精馏塔的塔釜采出六氯乙硅烷。
20.本实用新型的有益效果是：
21.在本实用新型中，可以仅利用一套系统同时生产出块状多晶硅、颗粒多晶硅和粉末多晶硅，以及四氯化硅等多种单体或聚合硅基气体，能够从最大程度上降低多晶硅和硅基气体的生产成本，将有效促进光伏能源产业和集成电路产业的快速、健康发展。
附图说明
22.图1为本实用新型一示例性实施例中公开的结构示意图；
23.图中，多晶硅还原炉，2
‑
流化床反应器，3
‑
第一混合器，4
‑
第二混合器，5
‑
粉末多晶硅收集装置，6
‑
第一换热器，7
‑
第二换热器，8
‑
第一精馏塔，9
‑
第一分离塔，10
‑
第二精馏塔，11
‑
第三精馏塔，12
‑
第四精馏塔，13
‑
第五精馏塔，14
‑
第六精馏塔，15
‑
氯硅烷反应器。
具体实施方式
24.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
27.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
28.参见图1，图1示出了本实用新型一示例性实施例提供的同时生产多尺寸多晶硅和多种类硅基气体的系统，包括多晶硅还原炉1、流化床反应器2、粉末多晶硅收集装置5、第一换热器6、第二换热器7、第一精馏塔8、第二精馏塔10、第三精馏塔11、第四精馏塔12、第五精馏塔13、第六精馏塔14、第一分离塔9、第一混合器3、第二混合器4及氯硅烷反应器15；
29.多晶硅还原炉1尾气管线和流化床反应器2尾气管线合并后与粉末多晶硅收集装置5进气管线连接；粉末多晶硅收集装置5的出气管线分为两路，分别与第一换热器6和第二换热器7的管程入口连接；第一换热器6和第二换热器7管程出口管线合并后与第一精馏塔8进料口连接；第一精馏塔8的塔顶与第一分离塔9进料口连接，第一精馏塔8的塔釜与第二精馏塔10进料口连接；第二精馏塔10的塔顶与第三精馏塔11进料口连接，第二精馏塔10的塔釜与第四精馏塔12进料口连接；第四精馏塔12的塔顶与第五精馏塔13进料口连接，第四精馏塔12的塔釜与第六精馏塔14进料口连接；第六精馏塔14的塔顶与氯硅烷反应器15连接；第五精馏塔13塔顶与第一换热器6的壳程进口连接；第三精馏塔11的塔釜出口管线与第二换热器7的壳程进口连接；第一分离塔9的塔顶出口管线分为两路，其中一路与第一混合器3的进口连接，另外一路与第二混合器4的进口连接；第一换热器6壳程出口通过管线与第一混合器3的进口连接，第二换热器7壳程出口通过管线与第二混合器4的进口连接；第一混合器3壳程出口通过管线与多晶硅还原炉1进料口连接，第二混合器4的壳程出口通过管线与流化床反应器2进料口连接。
30.具体地，在该示例性实施例中，由氢气和三氯氢硅组成的第一原料气进入多晶硅还原炉1，以及由氢气和二氯二氢硅组成的第二原料气进入流化床反应器2内。
31.在一优选示例性实施例中，在多晶硅还原炉1内，三氯氢硅和氢气在温度为950
‑
1150℃的硅芯表面发生异相沉积反应，生成的硅原子在硅芯表面不断堆积，使得硅芯持续生长，最终变为直径为120
‑
150mm、高为2600
‑
3000mm的多晶硅棒。三氯氢硅异相沉积反应生成硅原子的同时，还会副产化学通式为si
x
h
y
cl
z
(1≤x≤2，0≤y≤6，0≤z≤6)的单体或聚合氯硅烷及氯化氢，在多晶硅还原炉1内的自由空间内，温度为300
‑
900℃的原料或副产氯硅烷会发生均相沉积反应，生成尺度为几十至几百个纳米的原生多晶硅微粒。
32.而在又一优选示例性实施例中，在流化床反应器2内，温度为500
‑
1200℃、尺寸为几微米的硅籽晶在第二原料气的作用下处于流化态，二氯二氢硅和氢气在硅籽晶表面异相沉积反应，生成的硅原子在硅籽晶表面不断堆积，使得硅籽晶不断生长，最终变为尺寸为几微米的颗粒硅。二氯二氢硅异相沉积生成硅原子的同时，还会副产化学通式为si
x
h
y
cl
z
(1≤x≤2，0≤y≤6，0≤z≤6)单体或聚合氯硅烷以及氯化氢。在流化床反应器2内的自由空间内，温度为300
‑
900℃的原料或副产氯硅烷会发生均相沉积反应，生成尺度为几十至几百个纳米的原生多晶硅微粒。
33.来自多晶硅还原炉1的第一尾气和流化床反应器2的第二尾气含有原生多晶硅微粒，第一尾气和第二尾气在通过所述粉末多晶硅分离收集装置5时，使得多晶硅微粒被截留在装置内部，从而将含有原生多晶硅微粒的第一尾气和第二尾气转变为第三尾气，并从粉末多晶硅收集装置5的尾气管线通入第一换热器6和第二换热器7管程，从所述换热器(第一换热器6和第二换热器7)管程出口导出的第四尾气经加压至0.5
‑
1.5mpa后通入至第一精馏塔8。
34.所述第一精馏塔8从塔顶采出气相氯化氢和氢气，为第一气相料，从第一精馏塔8塔釜采出化学通式为si
x
h
y
cl
z
(1≤x≤2，0≤y≤6，0≤z≤6)的单体或聚合氯硅烷的液相混合物，为第一液相料。所述第一精馏塔8采出的第一气相料通入至第一分离塔9，使氢气和氯化氢得以分离。所述第一精馏塔8采出的第一液相料通入至第二精馏塔10，并从所述第二精馏塔10采出第二气相料，从第二精馏塔10的塔釜采出第二液相料。所述第二气相料经液化
后，通入至第三精馏塔11，在一优选示例性实施例中，从第三精馏塔11的塔顶采出一氯硅烷，从第三精馏塔11的塔釜采出二氯硅烷。所述第二液相料通入至第四精馏塔12，从第四精馏塔12的塔顶采出为第三气相料，从第四精馏塔12的塔釜采出第三液相料。所述第三气相料经液化后，通入至第五精馏塔13，从第五精馏塔13的塔顶采出三氯硅烷，从第五精馏塔13的塔釜采出四氯硅烷。所述第三液相料通入第六精馏塔14，从第六精馏塔14的塔顶采出五氯乙硅烷，从第六精馏塔14的塔釜采出六氯乙硅烷。
35.从第六精馏塔14的塔顶采出的五氯乙硅烷可以通入至氯硅烷反应器15中，以使其转变为六氯乙硅烷。从所述第五精馏塔13的塔顶采出的三氯氢硅经在第一换热器6换热后，与所述从第一分离塔9采出的氢气在第一混合器3内混合，并通入所述多晶硅还原炉1内。所述从第三精馏塔11的塔釜采出的二氯硅烷经在第二换热器7换热后，与所述第一分离塔9采出的氢气在第二混合器4内混合，并通入所述流化床反应器2内。
36.另外需要说明的是，由于需要分离的氯硅烷的沸点不同，根据沸点和压力可以设置第一精馏塔～第六精馏塔的操作温度，属于本领域常规手段，在此不进行赘述。
37.更优地，在一示例性实施例中，从所述多晶硅还原炉1内采出的多晶硅棒，经破碎处理后，获得尺寸为几厘米至几十厘米尺寸的块状多晶硅。从所述流化床反应器2直接获得几微米尺寸的颗粒多晶硅。从所述粉末多晶硅分离收集装置直接获得纳米尺寸的粉末多晶硅。从所述精馏塔可以获取单一组分的si
x
h
y
cl
z
(1≤x≤2，0≤y≤6，0≤z≤6)。
38.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。