[發(fā)明專利]帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210141882.4
• 申請日: 2012-05-09
• 公開（公告）號: CN102674359A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉春江;段長春;黃哲慶;周陽;段連;袁希鋼
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: C01B33/035
• 分類號: C01B33/035;F27D17/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種節(jié)能型多晶硅還原爐，特別涉及一種帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置及方法。

背景介紹

目前，多晶硅的生產(chǎn)主要采用改良西門子法。在改良西門子法中，還原工段所發(fā)生的主要反應(yīng)是三氯氫硅被氫氣還原生成硅和氯化氫，該反應(yīng)是在多晶硅還原爐中進(jìn)行的。發(fā)生反應(yīng)時(shí)，多晶硅還原爐處于通電高溫狀態(tài)，反應(yīng)溫度保持在1050～1150℃左右，同時(shí)還原爐的爐體夾套、底盤以及電極等處都配有循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，來與爐內(nèi)高溫環(huán)境進(jìn)行換熱以滿足爐體各處的溫度要求。

傳統(tǒng)的多晶硅還原爐能耗非常大，可達(dá)60～100KW·h/kg多晶硅，多晶硅生產(chǎn)的還原電耗占總成本的70%左右。還原爐內(nèi)能量損失嚴(yán)重，主要原因在于多晶硅棒的高溫輻射損失。多晶硅棒通過高溫輻射將能量傳遞到還原爐內(nèi)壁上，然后通過夾套冷卻水將熱量帶走。傳統(tǒng)多晶硅還原爐，如專利CN200420060144.8，CN200720306394.9，CN200820105591.9，CN200920230836.5，CN201020215600.7等，其進(jìn)氣口和出氣口都分布在底盤上，這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是由于流場，溫度場的匹配不合理，容易在還原爐頂部滯留，產(chǎn)生流動死區(qū)，造成局部區(qū)域的氣體溫度過高，產(chǎn)生硅粉，而這些硅粉一方面會造成原料的損失，另一方面產(chǎn)生的硅粉容易附著在鐘罩內(nèi)壁上，使得鐘罩內(nèi)壁的光潔度降低，造成因輻射而帶走的能量飆升，最終表現(xiàn)為還原電耗升高；另外由于進(jìn)口流體向上流動，而出口的流體向下流動，這兩股逆向流動的流體使得還原爐內(nèi)的流體均為混流狀態(tài)，影響反應(yīng)氣的轉(zhuǎn)化率，進(jìn)一步增加了還原爐的電耗。本發(fā)明在帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的基礎(chǔ)上，提出一種對應(yīng)的尾氣回收液冷卻裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決了傳統(tǒng)多晶硅還原爐內(nèi)部溫度分布不均勻、鐘罩內(nèi)壁沉積硅粉以及能耗大的問題，提供了一種帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐的尾氣回收液冷卻裝置及方法。

新型多晶硅還原爐的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)如下：

多晶硅還原爐內(nèi)膽包括內(nèi)壁和外壁兩層結(jié)構(gòu)，而且內(nèi)壁與外壁之間有一定空隙，多晶硅還原爐內(nèi)膽的內(nèi)壁與外壁之間通入高純?nèi)葰涔枰后w，內(nèi)膽內(nèi)壁和外壁之間的空隙與內(nèi)膽頂部底板與頂板之間的區(qū)域相連通，液態(tài)三氯氫硅吸收熱量蒸發(fā)為氣體進(jìn)入內(nèi)膽頂部，并通過內(nèi)膽頂部的回氣管進(jìn)入還原爐的反應(yīng)區(qū)域。

新型多晶硅還原爐的底盤結(jié)構(gòu)如下：

在多晶硅還原爐底盤上方固定一氣盒，多晶硅還原爐底盤上方固定的氣盒的頂部開有均勻的孔，向多晶硅還原爐底盤上方固定的氣盒內(nèi)通入液態(tài)的三氯氫硅；多晶硅還原爐的硅棒和底盤進(jìn)氣噴嘴均穿過氣盒的頂部，同時(shí)在還原爐底盤上裝有排液管。

在上述多晶硅還原爐內(nèi)膽和底盤結(jié)構(gòu)的前提下，尾氣回收液冷卻裝置結(jié)構(gòu)如下：

在帶內(nèi)膽的多晶硅還原爐下面連接有底盤排氣總管（19），底盤排氣總管（19）連接冷凝器（26），冷凝器連接儲罐（27），儲罐（27）上設(shè)置有儲罐排氣管（28）；儲罐（27）經(jīng)過泵（29）連接至尾氣回收液進(jìn)口管線（24）；在尾氣回收液進(jìn)口管線（24）上設(shè)置有文丘里引射裝置（30）和三氯氫硅液體引射管線（31）。

本發(fā)明的尾氣回收液冷卻裝置的操作方法如下：

多晶硅還原爐內(nèi)膽（2）內(nèi)部產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過地盤排氣管（6）排出，內(nèi)膽（2）與鐘罩（1）之間產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過內(nèi)膽與鐘罩之間的排氣管（25）排出，兩股尾氣匯合后進(jìn)入底盤排氣總管（19）排出還原爐后，經(jīng)過冷凝器（26）冷凝后進(jìn)入儲罐（27），未冷凝的氣體從儲罐排氣管線（28）排出進(jìn)入后續(xù)處理工段，經(jīng)冷凝降溫后的液體作為還原爐內(nèi)膽的冷卻液經(jīng)過泵（29）打入還原爐冷卻液進(jìn)口管線（24）；同時(shí)在尾氣回收液進(jìn)入還原爐前安裝文丘里引射裝置（30），將爐內(nèi)的部分三氯氫硅液體經(jīng)三氯氫硅液體引射管線（31）引射至尾氣回收液進(jìn)口管線（24），二者混合后進(jìn)入還原爐內(nèi)膽（2）與鐘罩（1）之間的空間，對內(nèi)膽（2）進(jìn)行冷卻，冷卻液在高溫環(huán)境下變成氣體，經(jīng)過內(nèi)膽與鐘罩之間的出氣管（25）進(jìn)入底盤排氣總管（19），內(nèi)膽內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多晶硅，同時(shí)尾氣經(jīng)過底盤出氣管（6）也進(jìn)入底盤排氣總管（19），整個(gè)過程爐內(nèi)尾氣進(jìn)行循環(huán)流動。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是：

與傳統(tǒng)多晶硅還原爐相比，內(nèi)膽雙層結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的底盤結(jié)構(gòu)可以大大降低硅棒向鐘罩內(nèi)壁的能量輻射，鐘罩內(nèi)壁由于溫度較低不會沉積硅粉，保持了鐘罩內(nèi)壁的拋光效果，還可以減少多晶硅還原爐鐘罩冷卻水的通入量。