專利名稱：四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法。
技術(shù)背景
在多晶硅生產(chǎn)過程中，三氯氫硅和氫氣反應(yīng)生成多晶硅的同時也會產(chǎn)生大量的四氯化硅。四氯化硅通過轉(zhuǎn)化，也就是四氯化硅和氫氣反應(yīng)再轉(zhuǎn)化成三氯氫硅和氯化氫。目前已經(jīng)有兩種技術(shù)用于四氯化硅轉(zhuǎn)化為三氯氫硅，低溫轉(zhuǎn)化是在硅粉和催化劑的存在下在 500 600°C，通過流化床反應(yīng)器進行的，也就是冷氫化技術(shù)。高溫轉(zhuǎn)化是四氯化硅和氫氣在沒有催化劑情況下在900 120(TC，通過在氫化爐內(nèi)部反應(yīng)生成三氯氫硅，也就是熱氫化技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)中，低溫轉(zhuǎn)化所用的流化床反應(yīng)器，由于硅粉和催化劑的存在，雖然降低了反應(yīng)溫度，但是對反應(yīng)器和換熱器、管道以及閥門造成嚴重破壞，導致不能連續(xù)生產(chǎn)。高溫轉(zhuǎn)化三氯氫硅普遍采用氫化爐來反應(yīng)完成，氫化爐采用電加熱的方式加熱反應(yīng)氣體。為了避免氫化爐內(nèi)部熱量損害爐體，在爐筒、封頭、底盤設(shè)有冷卻水腔。冷卻水帶走大量的熱量，這些冷卻過程與氫化爐內(nèi)的四氯化硅和氫氣高溫反應(yīng)過程相矛盾，因此和冷氫化相比， 熱氫化消耗相對較多的電能。
不管是冷氫化技術(shù)，還是熱氫化技術(shù)，加熱反應(yīng)氣體都是通過電加熱的方式實現(xiàn)的，消耗大量電能，顯然是不經(jīng)濟的，與生產(chǎn)多晶硅制成太陽能電池板發(fā)電的目標背道而馳，與人們所提倡的綠色能源也是不相符的。發(fā)明內(nèi)容
生產(chǎn)多晶硅用于太陽能電池日益增加的經(jīng)濟重要性和不斷持續(xù)上漲的能源價格， 人們已經(jīng)做出了很大努力用于降低四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的電單耗，使得能源的利用更加有效。本發(fā)明的目的就是提供一種更加經(jīng)濟和便宜可靠的方法，用于四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以不消耗電能，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量高效回收利用，同時可以將目前技術(shù)所實現(xiàn)的四氯化硅處理量成倍增加，解決多晶硅工廠四氯化硅轉(zhuǎn)化的瓶頸問題，實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模低能耗連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。
本發(fā)明的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后反應(yīng)產(chǎn)生三氯氫硅，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后在爐管內(nèi)部被加熱并進行反應(yīng)。
進一步，所述氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合氣體在爐管內(nèi)處于一端進一段出的流動狀態(tài)進行反應(yīng)；
進一步，所述爐管內(nèi)部裝填用于蓄熱并對氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合氣體阻流且均勻加熱的熱載體；或/和用于對氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合氣體阻流及加速反應(yīng)的催化劑；
進一步，所述爐管為多根并列分布于一爐膛內(nèi)，爐膛對爐管從外部加熱，使爐管內(nèi)溫度達到氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后反應(yīng)產(chǎn)生三氯氫硅的溫度；
進一步，從爐管流出的反應(yīng)后氣體匯集后，進行快速冷卻，以減少逆反應(yīng)的發(fā)生；
進一步，爐膛內(nèi)加熱爐管采用燃燒加熱，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣與進入爐管前的氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后氣體間壁換熱后，與爐膛內(nèi)用于燃燒的燃料氣以及助燃氣依次間壁換熱；
進一步，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合前分別由快速冷卻后反應(yīng)氣體間壁換熱，四氯化硅間壁換熱后由液體汽化成氣態(tài)，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后與爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣間壁換熱；
進一步，從爐管流出的反應(yīng)后氣體匯集后通入溫度較低的氫氣或者通過間壁換熱器由水快速冷卻。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，采用爐管內(nèi)反應(yīng)生成三氯氫硅的方式，利于氣態(tài)四氯化硅和氫氣充分混合，受熱均勻，降低反應(yīng)所需的能耗; 與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以避免消耗電能，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量高效回收利用，同時可以將目前技術(shù)所實現(xiàn)的四氯化硅處理量成倍增加，解決多晶硅工廠四氯化硅轉(zhuǎn)化的瓶頸問題，實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模低能耗連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。
圖1為本發(fā)明方法實施例一流程示意圖。
圖2為本發(fā)明方法實施例二流程示意圖。
圖3為爐管裝填熱載體示意圖。
具體實施方式
以下，參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。
實施例一
本實施方式流程如圖1所示，四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法中，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后反應(yīng)產(chǎn)生三氯氫硅，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后在爐管7內(nèi)部被加熱并進行反應(yīng)；并且含四氯化硅和氫氣的混合氣在爐管7內(nèi)部流動過程中，被加熱至600 1200°C溫度，發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)形成含三氯氫硅的混合氣。
所述方法中，含四氯化硅和氫氣的混合氣在進入爐管7前，與燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣換熱，混合氣溫度被加熱至200 600°C。燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣和四氯化硅與氫氣的混合氣換熱后，溫度降到600°C以下，再和燃料、空氣依次換熱。
所述方法中，四氯化硅和氫氣在0. 3 4MPa壓力下，按照1 0. 5 1 5的摩爾比混合進入爐管7內(nèi)部的，四氯化硅進料量大于等于500Nm3/h。
所述方法中，四氯化硅和氫氣的反應(yīng)為可逆反應(yīng)，為了防止逆反應(yīng)發(fā)生，反應(yīng)氣體在爐管7中的停留時間小于10s。較短的停留時間，對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的提高是有利的。
所述方法中，爐管7置于爐體4中，爐體4固定布置若干燒嘴5，燃料通過燒嘴5和空氣混合后發(fā)生燃燒，產(chǎn)生火焰布于爐管7之間，均勻加熱爐管7。爐體4內(nèi)表面固定厚度一定的隔熱耐火材料，防止熱量散失。
所述方法中，爐管7數(shù)量大于等于1，爐管7管徑大于等于IOmm ；—般根據(jù)生產(chǎn)能力進行調(diào)整；爐管7和爐管7可以通過U型彎頭串聯(lián)，也可以數(shù)量較多的爐管7通過上集氣管6和下集氣管8并聯(lián)組成。
所述方法中，爐管7材質(zhì)選擇耐高溫合金，比如HK40等；內(nèi)部可以裝填石墨或者其它熱載體17，用于增加載熱面積，均勻加熱氣體，并起到阻流作用改變氣體流速。
所述方法中，爐管7內(nèi)部可以裝填催化劑，用于并起到阻流作用并加快反應(yīng)提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，降低反應(yīng)所需溫度。
所述方法中，從爐管7流出的高溫反應(yīng)后氣體進入下集氣管8匯集時，可以通入溫度較低的氫氣進入下集氣管8，用于快速冷卻反應(yīng)后氣體，防止逆反應(yīng)的發(fā)生。
所述方法中，從爐管7流出的反應(yīng)氣體經(jīng)過四次換熱后，溫度下降到60°C以下。第一次通過換熱器和水換熱，反應(yīng)氣體在Is以內(nèi)被快速冷卻至650°C以下，水被加熱閃蒸汽化成蒸汽。第二、三次分別同四氯化硅液體和氫氣換熱后，溫度下降到300 200°C。第四次和三氯氫硅液體換熱，溫度下降到60°C以下。
如圖1所示，四氯化硅液體通過管路IOa進入熱交換器10中，與通過管路9c已經(jīng)被脫鹽水冷卻到650°C的高溫反應(yīng)后氣體換熱后，四氯化硅液體被加熱并被汽化至200°C 的溫度后通過管路IOc進入混合器12中。
氫氣通過管路Ila進入熱交換器11中，與通過管路IOb溫度下降至350°C的反應(yīng)后氣體換熱后，氫氣被加熱至200°C的溫度后通過管路Ilc進入混合器12中。
氫氣和四氯化硅氣體在混合器12中混合后，通過管路3a進入對流室16中的預(yù)熱器3中，與對流室16中溫度1000°C高溫煙氣換熱后，溫度上升至450 550°C后，通過管路 3b進入上集氣管6中。
壓縮空氣通過管路Ia進入對流室16中的預(yù)熱器1中，和煙氣換熱后，進入管路Ib 與通過管路加進入對流室16中的預(yù)熱器2被煙氣加熱的燃料在燒嘴5中混合并燃燒，均勻布置于爐管7之間，爐管7為多根并列設(shè)置，在爐體4上方，燒嘴5所產(chǎn)生的火焰加熱爐管7，爐管7溫度控制在1100°C左右。
進入上集氣管6的混合氣，均勻分布至爐膛15中爐管7中，如圖3所示，在由上至下的流動過程中，被爐管7和石墨熱載體17加熱至1100°C。在爐管中發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)后，匯集于下集氣管8中，被通過8b管路進入集氣管8中的溫度較低的氫氣冷卻后，從8a管路中流出。
從管路中流出的高溫反應(yīng)后氣體，進入熱交換器9中和脫鹽水換熱后，溫度下降到650°C以下。脫鹽水從管路9a進入9中，換熱后帶走熱量，通過管路13a進入閃蒸罐 13中，熱水經(jīng)過閃蒸產(chǎn)生蒸汽，通過管路1 送入其它工序使用。
通過進入熱交換器10和11中，反應(yīng)后氣體與四氯化硅液體和氫氣換熱后，溫度下降到300 200°C。通過管路lib進入熱交換器14中，和通過管路1 進入熱交換器14 的溫度20 30°C的三氯氫硅液體換熱后，溫度下降到60°C以下，通過管路14b進入尾氣回收，分離混合氣的組分，供循環(huán)使用。在熱交換器14中被預(yù)熱的三氯氫硅液體，通過管路 14c進入還原爐，同時還可以降低還原爐生產(chǎn)多晶硅的電耗。
實施例二
具體實施方式
如圖2所示，和實施例一不同之處在于，進入上集氣管6的混合氣， 均勻分布至爐膛15中爐管7中，如圖3所示，在由上至下的流動過程中，被爐管7和石墨熱載體17加熱至1100°C。發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)后，在爐管7出口端連接多組熱交換器9，脫鹽水通過管路9a，可以串聯(lián)進入也可以并聯(lián)進入熱交換器9中。脫鹽水與高溫反應(yīng)后氣體換熱后帶走熱量，通過管路13a進入閃蒸罐13中，熱水經(jīng)過閃蒸產(chǎn)生蒸汽，通過管路1 送入其它工序使用。經(jīng)過冷卻的高溫反應(yīng)后氣體，溫度下降到650°C以下，再進入下集氣管8中，通過管路8a進入熱交換器10和11中。
權(quán)利要求
1.一種四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后反應(yīng)產(chǎn)生三氯氫硅，其特征在于氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后在爐管內(nèi)部被加熱并進行反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，其特征在于所述氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合氣體在爐管內(nèi)處于一端進一段出的流動狀態(tài)進行反應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，其特征在于所述爐管內(nèi)部裝填用于蓄熱并對氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合氣體阻流且均勻加熱的熱載體；或/和用于對氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合氣體阻流及加速反應(yīng)的催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，其特征在于所述爐管為多根并列分布于一爐膛內(nèi)，爐膛對爐管從外部加熱，使爐管內(nèi)溫度達到氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后反應(yīng)產(chǎn)生三氯氫硅的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，其特征在于從爐管流出的反應(yīng)后氣體匯集后，進行快速冷卻，以減少逆反應(yīng)的發(fā)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，其特征在于爐膛內(nèi)加熱爐管采用燃燒加熱，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣與進入爐管前的氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后氣體間壁換熱后，與爐膛內(nèi)用于燃燒的燃料氣以及助燃氣依次間壁換熱。
7.根據(jù)權(quán)利要6所述的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的的方法，其特征在于氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合前分別由快速冷卻后反應(yīng)氣體間壁換熱，四氯化硅間壁換熱后由液體汽化成氣態(tài)，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后與爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣間壁換熱。
8.根據(jù)權(quán)利要7所述的四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的的方法，其特征在于從爐管流出的反應(yīng)后氣體匯集后通入溫度較低的氫氣或者通過間壁換熱器由水快速冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種四氯化硅轉(zhuǎn)化三氯氫硅的方法，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后反應(yīng)產(chǎn)生三氯氫硅，氣態(tài)四氯化硅和氫氣混合后在爐管內(nèi)部被加熱并進行反應(yīng)；本發(fā)明采用爐管內(nèi)反應(yīng)生成三氯氫硅的方式，利于氣態(tài)四氯化硅和氫氣充分混合，受熱均勻，降低反應(yīng)所需的能耗；與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以避免消耗電能，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量高效回收利用，同時可以將目前技術(shù)所實現(xiàn)的四氯化硅處理量成倍增加，解決多晶硅工廠四氯化硅轉(zhuǎn)化的瓶頸問題，實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模低能耗連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。
文檔編號C01B33/107GK102502656SQ20111033914
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者趙新征 申請人:趙新征