[發明專利]一種還原SiCl4制SiHCl3的磁旋轉氫氣電弧反應器

無效

• 申請號: 200910050250.5
• 申請日: 2009-04-29
• 公開（公告）號: CN101875495A
• 公開（公告）日: 2010-11-03
• 發明（設計）人: 郭文康;須平;張俊亭;郭少峰
• 申請（專利權）人: 上海尤仕力等離子體科技有限公司
• 主分類號: C01B33/107
• 分類號: C01B33/107;C01B33/03
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于氣體放電、化學工藝領域。具體涉及氫氣與氣態SiCl4的混合物在反應器內發生電弧放電，生成SiHCl3和多晶硅的一種方法。

背景技術

多晶硅是光伏產業的主要原料，在生產多晶硅的過程中產生的大量SiCl4對環境造成嚴重的污染。國際上通用的生產多晶硅的方法是改良西門子法，這種方法可以實現對SiCl4的循環再利用從而達到封閉式生產的目的，確保了生產多晶硅的環境友好性。由于國外先進企業對這一核心技術的封鎖，目前我國的多晶硅企業所采用的改良西門子法尚不能實現對SiCl4的循環再利用，每生產一噸多晶硅大約會產生十噸SiCl4，對環境造成巨大的壓力，從而成為制約我國多晶硅企業發展的技術難題。

我國多晶硅企業正在使用的還原SiCl4的方法主要有熱氫還原法和氣相白炭黑法。熱氫還原法是用電流焦耳加熱的方法提供高溫環境，使氫氣在此高溫條件下與SiCl4反應生成SiHCl3和HCl，其反應方程式為：

由于熱氫還原法是通過焦耳加熱的方式將電能間接轉化為熱能，所以能量的利用率低，能耗高，而且焦耳加熱的方法能達到的溫度有限，在此溫度下氫氣的還原性并不活躍，所以SiCl4的一次轉化率也不高，最高只有20％。這種方法的另一個缺點是設備投資高。

氣相白炭黑法是將SiCl4在1800℃的氫氧火焰中水解生成白炭黑從而實現處理SiCl4的目的，其反應方程式為：

SiCl₄+H₂+O₂→SiO₂·nH₂O+HCl

這種方法可以實現對SiCl4的處理，但是生成的白炭黑經濟附加值很低，不能實現多晶硅的封閉式生產，其經濟效益和工業價值都不高。

發明內容

為了克服熱氫還原法的高能耗、低轉化率和氣相白炭黑法的低經濟附加值的缺點，本發明提供了一種磁旋轉氫氣電弧反應器，該裝置中氣態SiCl4與氫氣的混合物在磁旋轉的電弧反應器內發生電弧放電，SiCl4在高溫的氫氣等離子體環境下發生還原反應生成SiHCl3。該裝置通過氣體電弧放電的方式將電能直接轉化成熱能，大大提高了能量的利用率，降低了能耗，同時在氫氣等離子體環境下發生的SiCl4還原反應的轉化率更高，生成的SiHCl3是生產多晶硅的主要原料，具有很高的經濟附加值，可以實現多晶硅的封閉式生產。

本發明為實現低能耗、SiCl4的高轉化率和生成物的高經濟附加值，設計了一種氫氣電弧反應器。主要由水冷金屬陰極(1)和水冷金屬陽極(4)組成，陽極與陰極構成的空間為反應器的空間(6)，反應器空間分為三個區域，分別是I氣態SiCl4與氫氣混合區、II電弧反應區、III淬冷和提取區。在氣態SiCl4與氫氣的混合區，氫氣首先通過第一進氣口(2)進入反應器空間(6)，并在強電場的作用下產生電弧(5)，氣態SiCl4與氫氣的混合物由第二進氣口(3)進入反應器空間(6)參與電弧放電，在氫氣等離子體環境下SiCl4被還原生成SiHCl3和HCl。電流線圈(7)用于產生感應磁場，起到約束反應器空間(6)內的電弧等離子體的作用，使SiCl4的還原反應能在更集中的區域和能量密度下進行，從而提高SiCl4的轉化率和能量的利用率。所有的反應物及生成物的混合物在淬冷提取區被淬冷，同時分離出SiHCl3和未發生反應的SiCl4及氫氣。生成的SiHCl3用于多晶硅的生產，SiCl4和氫氣用于電弧反應器的下一次循環中。

本發明的方案可以實現低能耗、高SiCl4轉化率(60％-90％)和SiHCl3高生成率(50％-70％)的目標，并且生成的SiHCl3是制造多晶硅的原料，可以實現多晶硅生產工藝的封閉式循環，達到污染物零排放的環保高效的目標。

附圖說明

圖1是還原SiCl4制SiHCl3的磁旋轉氫氣電弧反應器的結構圖。

圖中標記：1為反應器水冷金屬陰極，2為反應器第一進氣口，3為反應器第二進氣口，4為反應器水冷金屬陽極，5為電弧，6為反應器空間區域，7為電流線圈。

具體實施方式