[发明专利]生产粒状多晶硅的方法和设备

说明书

本发明涉及在流化床反应器中生产粒状多晶硅的方法，该流化床反应器包含反应器管以及在反应器管外部的加热装置，其中在反应器管中通过气流使硅核心颗粒(晶种)在借助加热装置加热的流化床中流化，并通过将含硅的反应气体引入流化床中通过热解而在热的硅核心颗粒上沉积多晶硅，并将以此方式形成的粒状多晶硅由反应器管排出，其中所述反应器管具有流化床区域及在流化床上方的未加热区域，反应器管在其内壁上具有硅涂层，其特征在于，反应器管在流化床上方的未加热区域的壁温使得在由15至500天的运行持续时间之后在总反应器管中硅涂层的最大硅层厚度与在流化床区域中的平均硅层厚度的比例为由7:1至1.5:1。

技术领域

本发明涉及在流化床反应器中生产粒状多晶硅的方法和设备。

背景技术

粒状多晶硅是通过在流化床反应器的反应器管中借助气流使硅颗粒流化制得的，其中借助加热装置将流化床加热至高温。通过添加含硅的反应气体，在热的颗粒表面上发生热解反应。在此，元素硅沉积在硅颗粒上，单个颗粒的直径长大。通过定期排出生长的颗粒并添加较小的硅颗粒作为核心颗粒(晶种)，该方法可以连续地实施，具有与此相关的所有优点。例如US 4,786,477 A公开了用于此目的的此类沉积方法和装置。

然而，实际上由于在热的反应器部件例如反应器管的内壁上发生硅沉积，导致热积累及因此导致反应器管的热机械负载，直至当壁上的沉积物达到特定的厚度时发生机械故障或壁上的沉积物熔化。此外，由于在壁上的沉积物导致流动横截面收缩，晶种仅能以受限制的程度由上方进入流化床中。这导致反应器故障。使热的反应器表面上硅沉积的问题最小化，这对于流化床法的经济运行具有决定性的意义。

US 2002/0102850 A1公开了一种通过连续、不连续或受控制地按计量送入HCl+惰性气体(H₂、N₂、He、Ar)或惰性气体H₂从而避免或去除在进料气体喷嘴上的硅沉积物的方法。

US 4,868,013(Allen)描述了一种方法，其中通过喷入冷的惰性气体(例如H₂)冷却反应器管的表面，由此使在壁上的沉积减少。

US 2002/0081250 A1描述了一种方法，其中在运行温度下或接近流化床反应器的运行温度借助含卤素的气态腐蚀剂，如氯化氢、氯气或四氯化硅，腐蚀掉或部分腐蚀在反应器管中在壁上的沉积物。

所有所述的使在反应器管表面上硅沉积减少的方案的缺点是增加运行成本。在按计量送入HCl/惰性气体的情况下，因为按计量送入HCl/惰性气体对于硅沉积的实际目的发挥相反作用，降低转化率及因此降低反应器的空间-时间产率。此外，一般无法以与其他进料气体(氢气、氯硅烷)一样高的纯度提供氯化氢。因此为了使用氯化氢，需要额外的提质加工至相应品质的设备。在对壁进行冷却的情况下，该方法的能量消耗显著增加，使该方法变得不经济。

另一方面，在流化床反应器的反应器管的壁上的硅沉积不仅是消极的。此类由石英制成的反应器管例如具有高的纯度，但是在高于1150℃的温度下发生变形。在壁上的厚度大于1mm的硅沉积物以机械方式使石英管稳定化。此外，该由高纯Si组成的壁沉积物提高了所产生的粒状多晶Si的纯度。

发明内容

本发明的一个目的是提供在流化床反应器中生产粒状多晶硅的经济的方法，该流化床反应器包含反应器管以及在反应器管外部的加热装置。

该目的通过以下方法实现，其中在反应器管中借助气流使硅核心颗粒(晶种)在借助加热装置加热的流化床中流化，并通过将含硅的反应气体引入流化床中通过热解而在热的硅核心颗粒上沉积多晶硅，并将以此方式形成的粒状多晶硅由反应器管排出，其中所述反应器管具有流化床区域及在流化床上方的未加热区域，反应器管在其内壁上具有硅涂层，其特征在于，反应器管在流化床上方的未加热区域的壁温使得在由15至500天的运行持续时间之后在总反应器管中硅涂层的最大硅层厚度与在流化床区域中的平均硅层厚度的比例为由7:1至1.5:1。