氢化炉和制备三氯氢硅的方法
【专利摘要】本发明提供了一种氢化炉，用于将四氯化硅和氢气转化为三氯氢硅，其包括：炉体；设置在所述炉体内腔中的至少一个反应盘管，且所述反应盘管的进气口和出气口均位于所述炉体的外侧；与所述内腔连通以允许火焰喷入所述反应盘管内圈空间中的火焰通道。本发明提供的氢化炉中，采用火焰热辐射以及反应盘管环绕热源全面加热的方式，代替现有技术中采用电加热以及热量在空间中交流扩散的局部加热的方式，使得四氯化硅和氢气能够得到充分加热且受热均匀，大大提高了转化效率。本发明还提供了一种制备三氯氢硅的方法，该方法使用了上述氢化炉。
【专利说明】氢化炉和制备三氯氢硅的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多晶硅生产【技术领域】，更具体地说，涉及一种氢化炉，本发明还涉及了一种制备三氯氢娃的方法。
【背景技术】
[0002]在生产多晶硅的过程中，改良西门子法(多晶硅生产的西门子法，其原理是在1100 C左右的闻纯娃芯上用闻纯氣还原闻纯二氣氣娃，使生成的多晶娃沉积在娃芯上，而改良西门子法是在传统西门子法的基础上，同时具备节能、降耗、回收利用生产过程中伴随产生的大量H2、HC1、SiCI4等副产物以及大量副产热能的配套工艺方法)普遍存在的工艺问题是:产生大量的副产物四氯化硅，无法有效的全部闭环回收利用，增加了多晶硅生产成本，加剧了对环境的破坏。
[0003]目前，生产中普遍采用的四氯化硅转化为三氯氢硅的工艺方法有冷氢化和热氢化两种，其中冷氢化工艺需要较高的反应压力，对设备要求高、耗损大，不能长期的稳定运行。在热氢化工艺中，所采用的氢化炉如图1所示，包括炉体01、电极02、电加热部件03、进气口04和出气口 05等，此种氢化炉采用电加热的方式来提高反应温度，而与电加热部件03相连的电极04设置在炉体01底部，与电极02连接的电加热部件03也分布在整个炉体01内腔的底部，而四氯化硅和氢气的受热面积取决于电加热部件03的面积，当四氯化硅和氢气从氢化炉顶部的进气口 04进入炉体内腔后，由于电加热部件03的发热面太小，而且其加热温度无法有效达到设定的反应温度，从而导致大量的反应气体在氢化炉内部来不及有效地和电加热部件03的表面进行热交换就排出了炉体01，使得内腔中的四氯化硅无法得到充分的加热，导致转化效率偏低。此外，因为其采用电加热的方式，所以生产过程中的能耗也比较高，而且电加热部件03的材料为石墨或碳碳复合材料，此种电加热部件的使用寿命非常短，一般在几个月之内，并且容易出现绝缘故障，所以在生产过程中需要频繁的对电加热部件进行维修和更换，这就直接影响了氢化炉的工作效率。
[0004]综上所述，如何提供一种氢化炉，以提高氢化反应的转化效率，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种氢化炉，解决了四氯化硅生成三氯氢硅效率较低的问题，提高了氢化反应的转化效率。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]—种氢化炉,用于将四氯化娃和氢气转化为三氯氢娃,其包括:
[0008]炉体；
[0009]设置在所述炉体内腔中的至少一个反应盘管，且所述反应盘管的进气口和出气口均位于所述炉体的外侧；
[0010]与所述内腔连通以允许火焰喷入所述反应盘管内圈空间中的火焰通道。[0011]优选的，上述氢化炉中，设置在所述反应炉体内的所述反应盘管为半径不同的多个，且多个所述反应盘管同轴线设置在所述内腔中。
[0012]优选的，上述氢化炉中，所述反应盘管为所述反应盘管的材料为难熔金属、难熔金属合金或高温合金钢。
[0013]优选的，上述氢化炉中，还包括设置在所述炉体内壁上的隔热层，且所述隔热层包括浇注衬里和耐高温隔热材料。
[0014]优选的，上述氢化炉中，所述耐高温隔热材料为纳米超级反射绝热材料或陶瓷材料。
[0015]优选的，上述氢化炉中，所述火焰通道的外接端设置有天然气进口、自动点火装置、火焰探测器和温度传感器，且所述外接端为所述火焰通道远离所述炉体的一端。 [0016]优选的，上述氢化炉中，还包括设置在所述炉体上的废气出口、防爆孔、吊耳和支架。
[0017]优选的，上述氢化炉中，所述炉体靠近所述废气出口的端面为可拆卸端面。
[0018]本发明还提供了一种制备三氯氢硅的方法，在该方法中使用了上述任意一项所述的氢化炉，其包括以下步骤:
[0019]I)向所述内腔和所述反应盘管中充入氮气以排除杂质气体，设定所述反应盘管中的压力为 0.1MPa-l.5MPa ；
[0020]2)杂质气体排除完成后，向所述内腔中通入压缩空气以置换氮气，保持所述内腔中的压力为200Pa-400Pa，并通过所述火焰通道向所述内腔中喷入火焰，使所述内腔中的温度维持在100°C -500°C ；
[0021]3)向所述反应盘管中以10m3/hr-500m3/hr的流量充入氢气以置换其中的氮气；
[0022]4)所述反应盘管中的气体置换完成后，通过调节火焰的强度使所述内腔中的温度由 100°C -300°c升至 300°C -1000°C，或由 300°C -500°C升至 500°C -1000°C ；
[0023]5)调整氢气流量至10NmVhr-500Nm3/hr,四氯化娃流量至50kg/hr_1000kg/hr并使其摩尔比在1: 1-10:1范围内的混合气体进入所述反应盘管中；
[0024]6)将进入所述反应盘管中的四氯化硅和氢气的混合气体的流量逐步升至It/hr-20t/hr，并使所述内腔中的温度维持在800°C -1500°C以使四氯化硅和氢气充分反应；
[0025]7)反应完成后的混合气体通过所述出气口流出所述反应盘管。
[0026]优选的，上述制备三氯氢硅的方法中，所述反应盘管中的压力具体为
0.3MPa-0.6MPa ;步骤2)中所述内腔中的温度具体为200°C -500°C ;步骤3)中氢气的流量具体为50m3/hr-200m3/hr ;步骤4)中提升后的温度具体为500°C -800°C ;步骤5)中氢气的流量具体为100Nm3/hr-300Nm3/hr,四氯化娃的流量具体为300kg/hr_600kg/hr ;步骤
6)中四氯化硅和氢气的混合气体的流量具体为2t/hr-5t/hr，所述内腔中的温度具体为10000C -1200。。。
[0027]本发明提供的氢化炉中，炉体内设置有螺旋状的反应盘管，用于反应的四氯化硅和氢气从位于炉体外侧的进气口中进入反应盘管中，因为从火焰通道进入内腔中的火焰位于反应盘管的内圈空间中，反应盘管围绕在火焰的周围，这就使得反应盘管周向各个角度上的部位均能够近距离的被火焰辐射加热，进而使得反应盘管内细长的反应空间中的四氯化硅和氢气能够充分受热而更加彻底的发生反应。本发明提供的氢化炉中，采用火焰热辐射以及反应盘管环绕热源全面加热的方式，代替现有技术中采用电加热以及热量在空间中交流扩散的局部加热的方式，使得四氯化硅和氢气能够得到充分加热且受热均匀，大大提高了转化效率。此外，采用火焰加热代替电加热，不仅较为显著的降低了能耗，还避免了对电加热部件进行维修和更换而影响氢化炉的工作效率。本发明还提供了一种制备三氯氢硅的方法，该方法使用了上述氢化炉。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为现有技术提供的氢化炉的结构示意图；
[0030]图2为本发明实施例提供的氢化炉的主视剖面图；
[0031]图3为本发明实施例提供的氢化炉的右视剖面图；
[0032]图4为反应盘管的结构示意图；
[0033]图5为本发明实施例提供的制备三氯氢硅的方法的流程图。
[0034]以上图1-图5中:
[0035]炉体01、电极02、电加热部件03、进气口 04、出气口 05 ；
[0036]炉体1、反应盘管2、进气口 3、出气口 4、火焰通道5、隔热层6、天然气进口 7、自动点火装置8、废气出口 9、防爆`孔10、吊耳11、支架12、可拆卸端面13。
【具体实施方式】
[0037]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方式进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
[0038]本发明提供了一种氢化炉，解决了四氯化硅生成三氯氢硅效率较低的问题，提高了氢化反应的转化效率。
[0039]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]如图2-4所示，本发明实施例提供的氢化炉，用于将四氯化硅和氢气转化为三氯氢硅，其包括:
[0041 ] 炉体I，炉体I为卧式炉体；
[0042]设置在炉体I内腔中的至少一个反应盘管2，反应盘管2的两端口分别为可供四氯化硅和氢气进入和反应后气体输出的进气口 3和出气口 4，且反应盘管2的进气口 3和出气口 4均位于炉体I的外侧；
[0043]与内腔连通以允许火焰喷入反应盘管2内圈空间中的火焰通道5。
[0044]本实施例提供的氢化炉中，炉体I内设置有螺旋状的反应盘管2，用于反应的四氯化硅和氢气从位于炉体I外侧的进气口 3中进入反应盘管2中，因为从火焰通道5进入内腔中的火焰位于反应盘管2的内圈空间中，反应盘管2围绕在火焰的周围，这就使得反应盘管2周向各个角度上的部位均能够近距离的被火焰辐射加热，进而使得反应盘管2内细长的反应空间中的四氯化硅和氢气能够充分受热而更加彻底的发生反应。
[0045]本实施例提供的氢化炉中，采用火焰热辐射以及反应盘管2环绕热源全面加热的方式，代替现有技术中采用电加热以及热量在空间中交流扩散的局部加热的方式，使得四氯化硅和氢气能够得到充分加热且受热均匀，大大提高了转化效率。此外，采用火焰加热代替电加热，不仅较为显著的降低了能耗，还避免了对电加热部件进行维修和更换而影响氢化炉的工作效率。
[0046]为了 进一步优化上述技术方案，本实施例提供的氢化炉中，设置在反应炉体I内的反应盘管2为半径不同的多个，且多个反应盘管2同轴线设置在内腔中。本实施例采用反应盘管2作为反应装置，是因为反应盘管2环绕在热源的周围，使其内的四氯化硅和氢气能够充分受热，并且受热均匀，能够最大程度的减少热能的浪费，所以为了进一步优化方案，本实施例设置多个反应盘管2，使其同轴线设置，如图2所示，当火焰进入炉体I内腔时，其位于最里层反应盘管2的内圈空间中，在火焰燃烧散热时，环绕在火焰周围的多层反应盘管2会将热量充分吸收，不仅最大程度的避免了能量的浪费，而且也提高了氢化反应的转化效率，当然，多个反应盘管2也可以不同轴线设置。在本实施例中，多个进气口 3通过一个主管路连通，多个出气口 4同样通过另一个主管路连通，以方便四氯化硅和氢气同时进入多个反应盘管2中。
[0047]在本实施例中，反应盘管2的材料为难熔金属、难熔金属合金或高温合金钢。因为反应盘管2为四氯化硅和氢气发生反应的关键部件，其为主要受热部件，所以反应盘管2必须具有耐高温、耐腐蚀，高强度的特性，基于此种考虑，本实施例中的反应盘管2的材料可以难熔金属、难熔金属合金或高温合金钢，这几种材料均能够较好的满足耐高温、耐腐蚀，高强度的工作要求，优选的，反应盘管2的材料为钥、钨、钨钥合金或钛合金，当然其还可以为具有上述特性的其他材料。
[0048]优选的，本实施例提供的氢化炉中，还包括设置在炉体I内壁上的隔热层6。在炉体I的内壁上设置隔热层6的作用是防止热量扩散到炉体I外部，以进一步提高能量的利用率。
[0049]具体的，上述隔热层6包括浇注衬里和耐高温隔热材料。浇注衬里可以增强隔热层6本身的机械强度，同时也可以牢固连接炉体I与耐高温隔热材料。
[0050]其中，耐高温隔热材料为纳米超级反射绝热材料或陶瓷材料，例如氧化锆陶瓷纤维材料。纳米超级反射绝热材料的气孔尺寸小于空气平均分子自由程，且具有很低的体积密度，其在常温和设定的温度下有比空气更低的绝热系数，其绝热效果非常理想。陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，其同样是较为理想的耐高温隔热材料。
[0051]更进一步的，火焰通道5远离炉体I的一端设置有天然气进口 7、自动点火装置8、火焰探测器和温度传感器。本实施例提供的氢化炉中，采用火焰燃烧的方式提供热量，因此在火焰通道5的一端设置了天然气进口 7，以为火焰燃烧提供燃料，自动点火装置8可以不需人工操作而自动将天然气点燃，提高了装置的自动化程度；火焰探测器的作用是在自动点火装置8进行了点火动作以后，检测火焰通道5中是否存在火焰，如果没有火焰，即天然气未点火成功，则火焰探测器发出报警信号，进一步保证氢化炉的安全运行；温度传感器的作用是感测内腔中的温度，以便于通过控制火焰的强度来改变内腔中的温度。
[0052]在本实施例提供的氢化炉中，还包括设置在炉体I上的废气出口 9、防爆孔10、吊耳11和支架12。在反应完成后，天然气燃烧后产生的废气和杂质需要排出炉体1，所以在炉体I上设置了废气出口 9 ;氢化炉在运行的过程中，有可能会发生天然气爆燃等意外事故而使炉膛内压力瞬时升高，防爆孔10在瞬时高压的作用下，会将炉体I的内腔与外部环境连通以释放压力，避免氢化炉发生爆炸而威胁生命财产安全；吊耳11是起吊本实施例提供的氢化炉时所用的连接部件，支架12是支撑氢化炉的支撑部件。
[0053]为了便于平时的保养和维护，炉体I靠近废气出口 9的端面为可拆卸端面13。将端面设置为可拆卸的，这样就可以通过拆卸此可拆卸端面13而对炉体I内部进行维修和部件的更换，使得本实施例提供的氢化炉能够得到更好的保养维护，延长其使用寿命。
[0054]如图5所示，本发明实施例还提供了一种制备三氯氢硅的方法，在该方法中使用了上述所述的氢化炉，其包括以下步骤:
[0055]S101、向内腔和反应盘管2中充入氮气以排除杂质气体，设定反应盘管2中的压力为0.1MPa-l.5MPa (MPa，兆帕，压强单位)；
[0056]S102、杂质气体排除完成后，向内腔中通入压缩空气以置换氮气，保持内腔中的压力为微正压，即200Pa-500Pa，并通过火焰通道5向内腔中喷入火焰，使内腔中的温度维持在 100。。-500 0C ；
[0057]S103、向反应盘管2中以10m3/hr-500m3/hr的流量充入氢气以置换其中的氮气；
[0058]S104、反应盘管2中的气体置换完成后，通过调节火焰的强度使内腔中的温度由IOO0C -300。。升至 3000C -1000°C，或由 300°C -500°C升至 500°C -1OOO0C ；
[0059]S105、调整氢气流量至10Nm3/hr-500Nm3/hr(指气体在标准状态下的流量，m3/hr为立方米每小时，N指标准状态)，`四氯化娃流量至50kg/hr-1000kg/hr (千克每小时),并使其摩尔比在1:1-10:1范围内的混合气体进入反应盘管2中；
[0060]S106、将进入反应盘管2中的四氯化硅和氢气的混合气体的流量逐步升至It/hr-20t/hr (吨每小时)，并使内腔中的温度维持在800°C -1500°C以使四氯化硅和氢气充分反应;
[0061]S107、反应完成后的混合气体通过出气口 4流出反应盘管2。
[0062]优选的，步骤S102中反应盘管2中的温度具体为200°C -500°C ;步骤S103中氢气的流量具体为50m3/hr-200m3/hr ;步骤S104中提升后的温度具体为500°C -800°C ;步骤S105中氢气的流量具体为100Nm3/hr-300Nm3/hr，四氯化硅的流量具体为300kg/hr_600kg/hr ;步骤S106中四氯化娃和氢气的混合气体的流量具体为2t/hr-5t/hr,内腔中的温度具体为1000°C -1200°C，上述所有数值范围均处于本实施例提供的氢化炉的正常工作范围内，且均可以在该氢化炉中利用四氯化硅和氢气制备出三氯氢硅。
[0063]上述制备三氯氢硅的方法中其具体的过程为:
[0064]1、使氮气对炉膛内的可燃气体进行吹扫，同时也使氮气对反应盘管2内进行吹扫；
[0065]2、分析确认内腔和反应盘管2内的氮气中氧含量低于0.5%时,氮气停止进入内腔，同时保持氮气继续充入反应盘管2内，以保持反应盘管2内微正压；[0066]3、向内腔中充入空气，使内腔中的含氧量大于20% ；
[0067]4、打开天然气进口 7，向内腔中送入天然气；
[0068]5、启动自动点火装置8，并确认点火成功，通过调节天然气进气量，以控制火焰强度及升温速度，将内腔中温度控制在300°C。
[0069]6、停止向反应盘管2内充入氮气，并将氢气通入反应盘管2中使其对氮气进行置换，使氢气中氮的含量小于1% ;
[0070]7、置换合格后，通过调节天然气进气量使内腔中的温度升至500°C，进行烘炉；
[0071]8、调整氢气进气流量为200Nm3/hr，调整四氯化硅进气流量为500kg/hr，将液态四氯化硅经过初步汽化后，与氢气混合，调节氢气和四氯化硅的摩尔比在1:1-10:1的范围内，经进气管进入反应盘管2中，优选的，摩尔比可以为2:1、3:1、5:1或10:1 ;
[0072]9、将四氯化硅的流量缓慢递增至3t/hr-10t/hr的处理量，氢气流量按照摩尔比同步增加，通过调节火焰强度将反应温度从500°C逐步升温至1100°C，这时，四氯化硅、氢气等混合气体受到炉体I内高温火焰和高温烟气的热辐射，在反应盘管2内热运动加剧，被大量激发成活性粒子并发生反应，生产三氯氢硅以及少量的二氯二氢硅，并最终通过出气口 4输出，优选的，四氯化硅的处理量为5t/hr。
[0073]由于该制备三氯氢硅的方法采用了上述实施例提供的氢化炉，所以该制备三氯氢硅的方法由氢化炉带来的有益效果请参考上述实施例中相应的部分，在此不再赘述。
[0074]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种氢化炉，用于将四氯化娃和氢气转化为三氯氢娃，其特征在于，包括: 炉体(1); 设置在所述炉体(1)内腔中的至少一个反应盘管(2)，且所述反应盘管(2)的进气口(3)和出气口(4)均位于所述炉体(1)的外侧； 与所述内腔连通以允许火焰喷入所述反应盘管(2 )内圈空间中的火焰通道(5 )。
2.根据权利要求1所述的氢化炉，其特征在于，设置在所述反应炉体(1)内的所述反应盘管(2)为半径不同的多个，且多个所述反应盘管(2)同轴线设置在所述内腔中。
3.根据权利要求1所述的氢化炉，其特征在于，所述反应盘管(2)的材料为难熔金属、难熔金属合金或高温合金钢。
4.根据权利要求1所述的氢化炉，其特征在于，还包括设置在所述炉体(1)内壁上的隔热层(6)，且所述隔热层(6)包括浇注衬里和耐高温隔热材料。
5.根据权利要求4所述的氢化炉，其特征在于，所述耐高温隔热材料为纳米超级反射绝热材料或陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的氢化炉，其特征在于，所述火焰通道(5)的外接端设置有天然气进口(7)、自动点火装置(8)、火焰探测器和温度传感器，且所述外接端为所述火焰通道(5)远离所述炉体(1)的一 端。
7.根据权利要求1所述的氢化炉，其特征在于，还包括设置在所述炉体(1)上的废气出口(9)、防爆孔(10)、吊耳(11)和支架(12)。
8.根据权利要求7所述的氢化炉，其特征在于，所述炉体(1)靠近所述废气出口(9)的端面为可拆卸端面。
9.一种制备三氯氢硅的方法，其特征在于，在该方法中使用了上述权利要求1-8中任意一项所述的氢化炉，包括以下步骤: O向所述内腔和所述反应盘管(2)中充入氮气以排除杂质气体，设定所述反应盘管(2)中的压力为 0.1MPa-l.5MPa ； 2)杂质气体排除完成后，向所述内腔中通入压缩空气以置换氮气，保持所述内腔中的压力为200Pa-400Pa，并通过所述火焰通道(5)向所述内腔中喷入火焰，使所述内腔中的温度维持在100°C -500°C ； 3)向所述反应盘管(2)中以10m3/hr-500m3/hr的流量充入氢气以置换其中的氮气； 4)所述反应盘管(2)中的气体置换完成后，通过调节火焰的强度使所述内腔中的温度由 IOO0C -300。。升至 3000C -1000。。，或由 300°C -500°C升至 500°C -1OOO0C ； 5)调整氢气流量至10Nm3/hr-500Nm3/hr，四氯化硅流量至50kg/hr_1000kg/hr并使其摩尔比在1: 1-10:1范围内的混合气体进入所述反应盘管(2)中； 6)将进入所述反应盘管(2)中的四氯化硅和氢气的混合气体的流量逐步升至It/hr-20t/hr，并使所述内腔中的温 度维持在800°C -1500°C以使四氯化硅和氢气充分反应； 7)反应完成后的混合气体通过所述出气口(4)流出所述反应盘管(2)。
10.根据权利要求9所述的制备三氯氢硅的方法，其特征在于，步骤2)中所述内腔中的温度具体为200°C -500°C;步骤3)中氢气的流量具体为50m3/hr-200m3/hr ;步骤4)中提升后的温度具体为500°C -800°C;步骤5)中氢气的流量具体为100Nm3/hr-300Nm3/hr，四氯化硅的流量具体为300kg/hr-600kg/hr ;步骤6)中四氯化硅和氢气的混合气体的流量具体为2t/hr-5t/hr，所述内腔中的温度具体为1000°C -1200°C。
【文档编号】C01B33/107GK103723733SQ201210383063
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年10月10日 优先权日:2012年10月10日
【发明者】王劭南, 杨楠, 张铁锋, 杨帆, 詹水华 申请人:浙江昱辉阳光能源有限公司