[发明专利]流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统

说明书

本发明公开了流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统，包括反应段、和位于反应段上方且与反应段连接的扩大段，所述反应段设置有进气口，所述扩大段设置有出气口；所述反应段内和/或外设置有加热装置，所述扩大段内和/或外设置有冷却装置，所述反应段或扩大段设置有晶种添加口。本发明通过在扩大段使用冷却装置，使得一部分位于扩大段的原生微硅粉可以生长为晶种并下降至反应段并最终转变为颗粒硅产品，可以减少通过出气口进入尾气管线的原生微硅粉数量，从而降低堵塞尾气管线风险、解决影响流化床放映其稳定运行的问题，同时提高原生微硅粉的利用价值、显著减小非原生晶种的使用量，降低颗粒硅生产成本，以促进光伏发电的普及应用。

技术领域

本发明涉及颗粒硅生产领域，尤其涉及流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统。

背景技术

多晶硅是硅基太阳能电池和硅基微电子器件的基础材料。当下，改良西门子法和流化床法是生产多晶硅的主流方法。改良西门子法具有技术成熟及产品纯度高等优势，但是存在生产能耗高、生产效率低、无法连续生产等劣势。流化床法正是针对改良西门子法劣势而产生的一种新兴的多晶硅生产方法，因此具有可连续生产、生产能耗低、生产效率高等优点，此外，流化床法的产品为粒径在毫米尺度的粒状多晶硅，不同于改良西门子法生产的棒状多晶硅，粒状多晶硅无需破碎，可直接作为拉制硅单晶的原料，这些优点使得流化床法显现出巨大的成本优势，也使得流化床法成为当前最具潜力的多晶硅绿色生产技术。

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。

在流化床反应过程中，硅烷或氯硅烷发生两种反应，即在晶种表面的非均相沉积反应和在自由空间的均相沉积反应。非均相沉积反应是目标反应，可以促进晶种的生长，而均相沉积反应会导致纳米级硅粉(原生微硅粉)的产生，微硅粉的存在不仅会影响流化床反应器的操作，还会影响颗粒硅的应用性能，以及会提高物料损耗。目前，多采用过滤器或沉降罐从流化床反应器尾气中分离出微硅粉，并将其作为副产物，用以制备三氯氢硅或外售，这使得微硅粉不具有高附加值。因此，开发一种流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统，以实现微硅粉的高附加值利用，是当下急需解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供流化床反应器、颗粒硅生产方法和系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的第一方面，提供流化床反应器，包括反应段、和位于反应段上方且与反应段连接的扩大段，所述反应段设置有进气口，所述扩大段设置有出气口；所述反应段内和/或外设置有加热装置，所述扩大段内和/或外设置有冷却装置，所述反应段或扩大段设置有晶种添加口。

进一步地，所述反应段下方设置有成品出口。

进一步地，所述加热装置使反应段的晶种温度保持在600-1200℃，所述冷却装置使扩大段气温保持在350-500℃。

本发明的第二方面，提供颗粒硅生产方法，采用所述的流化床反应器，所述方法包括以下子步骤：

含硅气体通过进气口进入流化床反应器；

位于反应段的含硅气体在晶种表面发生非均相沉积反应，生成的颗粒硅下降；同时位于反应段的含硅气体发生均相沉积反应，生成的原生微硅粉上升至扩大段；

位于扩大区的含硅气体在原生微硅粉表面发生沉积反应，生成晶种下降至反应段。

进一步地，所述含硅气体包括氢气和氯硅烷、氢气和硅烷的混合气。

本发明的第三方面，提供颗粒硅生产系统，包括：