[发明专利]一种转化四氯化硅制取三氯氢硅和多晶硅的方法

说明书

技术领域

本发明属于有色金属，化学工艺技术领域，具体涉及以四氯化硅为原料制取三氯氢硅、多晶硅的方法，尤其涉及一种等离子体诱导的氢气与SiCl₄发生还原反应，将SiCl₄转化为SiHCl₃、多晶硅和HCl的方法。

技术背景

目前，改良西门子法是国内外生产多晶硅的主流工艺。随着光伏产业的快速发展，作为太阳能电池原料的高纯多晶硅，已成为十分重要的半导体材料，各地许多多晶硅项目相继投入生产。四氯化硅是该工艺生产多晶硅产生的主要副产品。每生产1吨多晶硅会产生10吨以上的四氯化硅。由于现在还没有大规模、高效率和安全地消化处理生产多晶硅过程中所产生的SiCl₄的方法，造成了大量的高含量氯化合物的囤积，给环境安全带来极大的隐患。

现有转化SiCl₄的方法主要是热氢化方法和气相法生产白炭黑。热氢化方法，依靠电加热方式将SiCl₄转化为SiHCl₃。其反应方程为：

热氢化工艺转化SiCl₄的一次转化率仅在20％，能耗高，且设备投资巨大。

气相法生产白炭黑，是利用SiCl₄在1800℃的氢氧火焰中高温水解制得。其反应方程式如下所示：

SiCl₄+H₂+O₂→SiO₂·nH₂O+HCl    (2)

气相法生产白炭黑，可以消耗部分SiCl₄，但白炭黑价格与多晶硅相差甚远。如能将SiCl₄转化为SiHCl₃和多晶硅，循环利用于多晶硅生产过程，将会有更好的社会效益和经济效益。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前工业生产多晶硅过程中产生污染环境的SiCl₄，用热氢化法将其转化为生产多晶硅原料SiHCl₃，存在一次转化率低、能耗高、设备投资大等不足，以及用SiCl₄生产白炭黑其经济效益远低于多晶硅的问题，为企业提供一种工艺成熟、能耗低，设备投资小，消除四氯化硅环境污染，以四氯化硅为原料主产SiHCl₃、联产多晶硅、副产HCl的工艺方法，简称转化四氯化硅制取SiHCl₃和多晶硅方法。

本发明转化四氯化硅制取SiHCl₃和多晶硅方法，是以氢气或氢气与氩气的混合气为等离子体工作气体，送入等离子体发生器，在强电场的作用下通过电弧放电，形成温度为4000K以上的热等离子体射流，诱导反应器中的SiCl₄发生还原反应，将SiCl₄转化为SiHCl₃、多晶硅和HCl；包括如下步骤：

第一步，将氢气或氢气与氩气的混合气作为工作气体，输入等离子体发生器，产生温度为4000K-15000K的等离子体射流，并将其引入反应器；

第二步，将原料SiCl₄喷入反应器，与热等离子体射流混合，使反应器中的混合气温度升至1200-3500K，热等离子体射流中的氢与四氯化硅发生还原反应，生成SiHCl₃、多晶硅和HCl；

第三步，将反应器中的反应尾气，包括：完成还原反应的SiHCl₃、多晶硅和HCl，尚未反应的SiCl₄，工作气中的氢气与氩气的混合气，从反应器中引至气体缓冲容器，通过体积膨胀使反应尾气降温至1000-1500K，反应尾气中的多晶硅沉积于气体缓冲容器的底部，并将其收集；

第四步，将反应尾气与原料四氯化硅输送管路换热，使反应尾气的温度降至400-600K；

第五步，将降温后的尾气通过冷凝器，使所含SiHCl₃和残余SiCl₄气体在280K-300K温度下液化；

第六步，将液化的SiHCl₃和SiCl₄的混合液送入分馏塔进行分馏，将分馏后的SiHCl₃和SiCl₄液体分别送入各自的贮罐中贮存。

第七步，将未液化的氢气、氩气和HCl混合气体，由冷凝器的出气口输送至多晶硅生产厂的尾气处理系统，进行分离处理并分别贮存。