[发明专利]采用流化床反应器制备高纯度多晶硅颗粒的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于制备高纯度多晶硅颗粒的方法和流化床反应器，属于化工技术及 设备领域。

背景技术

多晶硅是制备单晶硅和光伏发电最主要的原材料，特别是随着光伏产业的迅猛发展，太 阳能电池对多晶硅的需求量迅速增长，2008年太阳能级(6N)多晶硅的需求量已经超过电子级 多晶硅(11N)。多晶硅是整个晶体硅光伏电池产业链中技术壁垒最高、投资额最大、建设周期 最长的一环，也是利润最高的一环。因此，世界各国都在竞相开发能耗低，产能大的高纯度 多晶硅的制备方法。

目前，改良西门子法是制备高纯多晶硅的主要方法，该方法占据当今世界高纯多晶硅生 产量的80％左右。改良西门子法也称闭环式三氯氢硅氢还原法，是采用氯化氢和工业硅粉在 一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在钟罩 式还原炉反应器内进行化学气相沉积反应(CVD)生产高纯多晶硅。国内外现有的多晶硅厂绝大 部分都采用此法生产电子级与太阳能级多晶硅。

改良西门子法具有工艺成熟、经验丰富、产品质量高等优点，国外采用该法生产的多晶 硅纯度为9～11N，直接电耗可降到60～70kWh/kg，但其具有工艺流程长、投资大、三氯氢硅 还原率低、生产成本高、技术操作难度大等缺点。由于钟罩式反应器只能采用间歇操作方式， 特别是反应初期，硅棒的沉积面积比较小，在一定程度上限制了产能。而且多晶硅棒在拆装 和后续的破碎运输阶段容易引入杂质造成污染。

为了解决改良西门子法存在的问题，引入了流化床反应器生产多晶硅颗粒的方法。在流 化床反应器中，含硅气体通过氢还原反应生成单质硅并沉积到多晶硅颗粒表面。由于流化床 反应器内参与反应的硅表面积大，使反应速率大大增加，所以该方法的生产效率高、电耗小、 成本低，比较适用于大规模生产太阳能级多晶硅。但是，流化床反应器也存在一定的缺点， 比如，化学气相沉积高纯度多晶硅的反应对温度极为敏感，因此造成了反应生成的多晶硅会 沉积到热壁表面，使反应器壁面的传热效率大大降低给传热造成了困难。而且由于有些反应 器材料比如石英的热膨胀系数较多晶硅相差一个数量级，当有多晶硅沉积到反应器壁面时， 会造成反应器破裂，给工业操作安全带来隐患。

目前已有针对化学气相沉积方法制备多晶硅的流化床反应器专利。最早公开的专利中， US 3012861和US 3012862采用外加热方式，因此在反应器内壁会有严重的壁面沉积，造成 传热系数下降。US 4684513采用内加热方式，减少了壁面沉积的问题，但是会造成硅在加热 元件上的沉积甚至会损坏加热元件。US 4416913和US 4992245类似，将流化床划分为环隙 的加热区和中心的反应区，采用外加热方式，仅在反应区通入流化气体，当硅粉颗粒运动到 环隙区域上部时即依靠重力向加热区下部流动并进行加热，这种方式不能有效的控制硅粉颗 粒在反应器内的循环状态，而且反应器内反应区的含硅气体向加热区的扩散严重，难以避免 加热区壁面的沉积问题。US 5374412通过流化床内下部的垂直隔板将反应器分为加热区和反 应区，仅在反应区通入含硅气体，在加热区只通入流化气体。US 6007869将流化床反应器划 分为上部的反应区和下部的加热区，仅在反应区中心部位通入含硅气体。但是由于流化床的 强返混特性，这两种方法中反应区的含硅气体很容易进入加热区，造成壁面沉积而难以达到 分区的效果。专利CN 101318654A将加热区和反应区从结构上完全隔开，形成外环流反应器， 这种方法对反应器材料选择和结构设计提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于制备高纯度多晶硅的方法和流化床反应器装置，具有结 构简单，壁面沉积少，能耗低等特点。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种制备高纯度多晶硅颗粒的方法和流化床反应器，用于使含硅气体通过 还原反应生成单质硅并沉积到多晶硅颗粒表面，是通过以下技术方案来实现的。在流化床反 应器内放置导流筒，导流筒与反应器壁间的环隙区为加热区，导流筒内为反应区，加热区和 反应区相互隔开。在反应器内加入硅粉颗粒形成床层，通过调节加热区和反应区的流化气速 使加热区和反应区床层的固相体积百分含量在流化后不同，从而实现颗粒在加热区和反应区 之间的循环流动，并调节颗粒的循环速率，形成内环流流化床反应器来制备高纯度多晶硅颗 粒。