[发明专利]一种多晶硅还原装置

说明书

技术领域

本发明属于多晶硅生产技术领域，具体涉及一种多晶硅还原装置。

背景技术

多晶硅是太阳能光伏行业的基础材料，其主要生产工艺是改良西门子法（即三氯氢硅还原法，SiHCl₃+H₂→Si+3HCl）。该工艺在我国的大规模化应用已有近10年历史，由于核心技术仍未突破，导致每生产一吨多晶硅，作为原料气的精制三氯氢硅（TCS）的循环量达到55～60吨，同时产生16吨左右的四氯化硅（45%的SiCl₄来自TCS热分解，4SiHCl₃→Si+3SiCl₄+2H₂，热分解的原因是氢气量偏少所致)；另外硅棒长到135～150mm时，硅棒的直径需要100小时左右的沉积时间；从而，造成多晶硅生产的高能耗现状。究其原因主要是由于多晶硅棒生长过程中，炙热的硅棒表面存在过厚的气体界面层(the Boundary Layer)，造成TCS和H₂扩散（而非对流）到炙热硅棒表面的速度大大降低（界面层内的质量转移系数正比于原料气平均线速度的平方根），同时炙热的硅棒表面产生的HCl也不能通过界面层迅速扩散开而使硅棒受到腐蚀，从而导致多晶硅的沉积速度很慢，TCS一次转化率(Single-Pass Conversion Efficiency)很低，大量未通过扩散层的和在尾气出口短路的TCS和H₂随尾气进入回收单元，造成尾气中大量未转化的TCS进入回收系统，造成精制三氯氢硅循环量大大增加，回收单元负荷加重的现状。

通过行业同仁的不懈努力，虽然比10年前有了一定的技术进步,但还未有实质性突破,导致多晶硅生产能耗居高不下,生产成本降幅不大,其根本原因就是进入还原炉内的三氯氢硅一次转化率仅为9～10.5%。而我国目前所有多晶硅生产企业采用的多晶硅沉积反应器内的流场是全混流状态，其温度分布不均匀，原料气下进下出的流动方式不能有效的控制还原炉内的温度，而且还原炉内容易产生局部高温区域，这种局部高温区域导致TCS热解产生无定型硅，这种活性硅微粉很容易吸附到还原炉内壁面的表面，引起还原炉内壁面局部高温点的生成，这种局部高温点又会引起更多无定型硅微粉的附着，最终破坏了还原炉内壁面的抛光面（黑度系数提高），从而增加了还原炉的还原电耗。另外原料气的进气口和尾气的排气口均布在底盘，这种结构要求设置进气喷嘴，必须控制进气流速达到足够大才能实现对还原炉顶部区域混合气的更新，因此还原炉内的流动基本上为全混流，是强制对流的流动，其轴向和径向方向上的密度差反而阻碍了混合气向底盘的排气口流动，而且这种强制对流的流动方式强化硅棒与混合气之间的对流传热系数，从而增加了还原炉的还原电耗。传统还原炉的进出气方式还容易引起原料气走短路，影响多晶硅的沉积速率，未充分反应的原料气直接从排气口排出进入回收单元，造成原料气的浪费，同时使回收单元负荷加重，导致精制料循环量加大。传统的多晶硅还原工艺中得到的硅棒表面质量较差，容易出现“菜花”和“玉米粒”等肌瘤现象，产品成品率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种多晶硅还原装置，该装置使得原料气三氯氢硅和氢气在炉体内采用下进上出的平推流式流动，使得气体流动性增强，纵向和径向温差增加，扩散动力提高，且气体不会返回流动，避免了炉体内产生的局部高温区域，提高原料气生产多晶硅的沉积效率和TCS一次转化率，提高产品成品率。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种多晶硅还原装置包括多晶硅还原炉体，该炉体设置有进气口和排气口，所述进气口设置于所述炉体的底部，所述排气口设置于所述炉体的顶部。

优选的是，所述炉体的顶部设置有至少五个排气口。

更优选的是，所述炉体的顶部设置有十个均匀分布的排气口。

优选的是，所述多晶硅还原装置还包括尾气运输管道，所述排气口在所述多晶硅还原炉体的外部与所述尾气运输管道连通，且所述尾气运输管道在所述多晶硅还原炉体的外部与所述进气口连通，形成循环利用回路。

优选的是，所述的多晶硅还原装置还包括尾气运输管道、三氯氢硅运输管道、氢气运输管道、文丘里引射器，

所述三氯氢硅运输管道的一端用于输入原料气三氯氢硅，该三氯氢硅运输管道的另外一端与所述文丘里引射器的吸入口连接；