[发明专利]多晶硅和硅烷装置中的废气回收系统

说明书

发明背景

光电(PV)工业中目前的繁荣导致对多晶硅和硅烷的需求增加。制备更常获得的PV粉的挑战之一是降低PV模件的成本。由于多晶硅生产占PV模件成本的显著成本组成，多晶硅生产方法中的任何改进也会对PV模件成本具有显著影响。

多晶硅由三氯硅烷(TCS)或硅烷(SiH₄)在化学气相沉积反应器或流化床反应器中制备。超过90％的多晶硅生产是通过将冶金级硅(MG-Si)转化成TCS，之后将其在钟罩式或流化床反应器中在氢气(H₂)的存在下提纯。一些多晶硅通过TCS在一个或多个步骤中歧化以产生硅烷(SiH₄)而生产，硅烷可用于生产多晶硅或单独作为多种应用的专用气体出售。在任一种生产方法中，产生大量四氯化硅(STC)。可将STC热解成高纯度热解法二氧化硅，或更通常在STC转炉中转化回TCS。化学蒸气沉积方法、流化床反应器方法和STC转化方法的流出物含有大量氢气(H₂)、氯硅烷和盐酸(HCl)。

从多晶硅和硅烷生产方法中回收废气是重要操作，因为它可降低生产成本。已提出一些以使用气体分离膜使来自废气的一些氢气再循环，如美国专利No.4,941,893中所公开的。然而，这种解决方法伴随某些缺点。

当沉积反应器用于生产电子级多晶硅时，它通常在约5psig的压力下操作。因此，离开反应器的流出物不提供驱动力以使用气体分离膜分离。为得到合理的回收，应在将废气供入膜中以前将它压缩，增加压缩机成本。

用于生产太阳能级多晶硅的沉积反应器通常在高压(＞75psig)下操作，因此不需要在膜分离以前将流出物压缩。然而，必须将低压渗透物在返回沉积反应器压力以前压缩，增加压缩机成本。

在任一种方法中，流出物中的高氯硅烷浓度可导致膜渗透性能的损失。这会导致膜的频繁更换，增加生产成本。

因此，本发明的目的是一种避免上述缺点的用于多晶硅和硅烷生产的废气回收的方法和系统。

发明概述

公开一种使在多晶硅或硅烷生产期间产生的废气再循环的方法，其包括如下步骤。将来自提纯装置、STC转炉和/或多晶硅沉积反应器的废气送入冷凝器中以产生冷凝物和非冷凝物，冷凝物主要包含SiHCl₃和SiCl₄，非冷凝物包含主要量的H₂，次要量的包含SiHCl₃和SiCl₄的氯硅烷，和次要量的HCl。将非冷凝物送入压缩机中，然后送入包含至少一个气体分离膜的气体分离装置中。将包含SiHCl₃或SiCl₄的吹扫气体送入膜的渗透物侧。来自渗透物侧的再循环气体，其中再循环气体包含透过膜的来自非冷凝物的H₂和来自吹扫气体的SiHCl₃或SiCl₄。将再循环气体送入氢氯化反应器、STC转炉和/或the多晶硅沉积反应器中。

所公开的方法可包括一个或多个以下方面：

·从气体分离装置中回收贫H₂料流，渗余气体包含SiHCl₃、SiCl₄、HCl和H₂；

·将贫H₂料流送入SiHCl₃生产方法中；和

·纯化SiHCl₃或SiCl₄由SiHCl₃生产方法得到，其中吹扫气体包含至少一部分所得纯化SiHCl₃或SiCl₄。

-在送入STC转炉和/或沉积反应器中以前不压缩再循环气体。

-废气中至少50％的H₂渗透至渗透物侧。

-废气中至少90％的H₂渗透至渗透物侧。

-SiHCl₃生产方法包括如下步骤：

·将贫H₂料流分离成轻质气体和较重组分，较重组分主要包含SiHCl₃和SiCl₄，轻质气体包含主要量的H₂，次要量的包含SiHCl₃、SiCl₄的氯硅烷，和次要量的HCl；

·将轻质气体送入吸附装置中，其中将主要量的H₂汽提并将次要量的HCl与次要量的氯硅烷分离；