一种耦合的多晶硅生产系统的制作方法

本实用新型涉及光伏领域，更具体的，涉及多晶硅生产系统。

背景技术：

现有电子级多晶硅生产大部分采用改良西门子法，在现有商业化生产装置中，多采用热氢化装置作为整个系统中氢化工序的组成部分。因为还原、尾气回收、热氢化和精馏组成的系统并不能形成闭路循环，需要在生产过程中向系统内补充TCS或STC原料，并排出氯化氢作为副产物。同时，在这类系统中，精馏部分通常较为简单，对于杂质的提纯能力不强，这就要求补充的TCS或STC原料达到电子级的标准，或者需要采用多级精馏或其他方式对本系统中物料进行提纯，这又造成装置投资和运行成本上升。并且即使采用多级的精馏系统，也常常无法达到满足电子级多晶硅生产的需求。以上现有方法，对原料采购提出的较高的标准，对于成本控制造成不利影响，并且也造成了质量控制的风险。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种太阳能级多晶硅生产系统与电子级多晶硅生产系统耦合的多晶硅生产系统，通过太阳能级多晶硅生产系统中的精馏工段能够提供纯度较高的TCS，将其作为原料补充进入电子级多晶硅生产系统，以降低电子级多晶硅的生产成本，并减少质量风险。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案是：

一种耦合的多晶硅生产系统，包含太阳能级多晶硅生产系统和电子级多晶硅生产系统，所述太阳能级多晶硅生产系统包括按以下方向顺序连接形成第一回路的第一精馏装置1、太阳能级还原装置2、第一尾气回收装置3和冷氢化装置4，所述电子级多晶硅生产系统包括按以下方向顺序连接形成第二回路的热氢化装置5、热氢化尾气分离装置6、第二精馏装置7、电子级还原装置8、第二尾气回收装置9、第三精馏装置10；所述太阳能级多晶硅生产系统中的第一精馏装置1连接到电子级多晶硅生产系统的第二精馏装置7，所述电子级多晶硅生产系统的热氢化尾气分离装置6连接到太阳能级多晶硅生产系统中的冷氢化装置4。

优选的，所述电子级多晶硅生产系统的第二尾气回收装置9连接到太阳能级多晶硅生产系统中的冷氢化装置4，所述电子级多晶硅生产系统的第三精馏装置10连接到太阳能级多晶硅生产系统中的太阳能级还原装置2。

优选的，电子级多晶硅生产系统中，所述第二尾气回收装置9连接回电子级还原装置8，形成第三回路；所述第三精馏装置10连接回和第二精馏装置7，形成第四回路；所述第二精馏装置7连接到热氢化装置5，所述热氢化尾气分离装置6连接回热氢化装置5，形成第五回路；所述冷氢化装置4连接回第一精馏装置1形成第六回路；太阳能级多晶硅生产系统中，所述第一尾气回收装置3连接回太阳能级还原装置2形成第七回路。

其中所述第二尾气回收装置9中包含深冷设备901、吸收塔902、解吸塔903、吸附塔904。

所述深冷设备901中部一侧设有进料口90101，中部另一侧设有气相出料口90102，底部设有液相出料口90103；

所述吸收塔902具有位于塔身侧壁靠下位置的第一进料口90201、位于塔身侧壁靠上位置的第二进料口90202、位于塔顶的第一出料口90203、位于塔底的第二出料口 90204；

所述解吸塔903具有位于塔身侧壁中部位置的第三进料口90301和位于塔身侧壁靠上位置的第四进料口90302、位于塔顶的第三出料口90303、位于塔底的第四出料口 90304；

所述吸附塔904底部设有气体入口管90401，顶部设有气体出口管90402；

所述气相出料口90102通过第一管道905连接第一进料口90201所述第二进料口 90202通过第二管道906和所述第四出料口90304相连；所述第一出料口90203通过第三管道907连接气体入口管90401，所述第二出料口90204通过第四管道908与第三进料口相连90301；所述液相出料口90103通过第五管道909接入第四管道908；

所述第三出料口90303通过第六管道910顺序连接塔顶换热器911、塔顶回流罐912、回流气动阀913和第四进料口90302，所述第六管道910在塔顶回流罐912和回流气动阀913之间第七管道914。

优选的，所述第二尾气回收装置9中还包含尾气吸收控制系统，所述尾气吸收控制系统包含：第一在线色谱仪915；第二在线色谱仪916；DCS控制系统917；

所述第二管道906上设有第一三通918，所述第一三通918两端连通第一管道906，第三端连通第一在线色谱仪引入管919；所述第一在线色谱仪引入管919末端连接有第一气动三通阀920，所述第一气动三通阀920通过管道连接于第一在线色谱仪915，所述第一在线色谱仪915连接到DCS控制系统917上；

所述第三管道907上设有第二三通921，所述第二三通921两端连通第三管道907，第三端连通第二在线色谱仪引入管922；所述第二在线色谱仪引入管922末端连接有第二气动三通阀923，所述第二气动三通阀923通过管道连接于第二在线色谱仪916，所述第二在线色谱仪916连接到DCS控制系统917上；

所述DCS控制系统917连接所述回流气动阀913。

更优选的，所述吸附塔904为多层吸附塔，所述多层吸附塔904的塔体通过若干层塔板分为若干个塔室，塔顶设有塔底设有气体入口管90401和气体出口管90402；塔体外部绕有中空的外盘管90409，所述外盘管的两端设有外盘管入口9040901和外盘管出口9040902。

以上所述耦合的多晶硅生产系统的使用方法，包括以下步骤：在多晶硅生产过程中，将所述第一精馏装置1中得到的TCS作为补充料输入第二精馏装置7，将所述热氢化尾气分离装置6中HCL输入到冷氢化装置4。

在多晶硅生产过程中，将所述第二尾气回收装置9中得到的HCL通往冷氢化装置4，将所述第三精馏装置10中分离得到的DCS输入到太阳能级还原装置2。

进一步的，还包括以下步骤：

在电子级多晶硅生产系统中，

(1)将已提纯的TCS、H₂和DCS通入电子级还原装置8，得到电子级的多晶硅材料，尾气进入第二尾气回收装置9；

(2)将步骤(1)中进入第二尾气回收装置9的尾气以干法进行分离，得到包含TCS、STC和DCS的物料进入第三精馏装置10；得到的H2通往电子级还原装置8；

(3)将步骤(2)中进入第三精馏装置10的物料进行分离，得到的STC通往热氢化装置5，得到的含少量DCS的TCS通往第二精馏装置7继续提纯；

(4)在热氢化装置(5)中，步骤(3)中所述STC和系统外通入热氢化装置(5) 的氢气反应生成TCS和HCl气体，所述TCS、HCl和未反应完全的STC、形成的尾气通往热氢化尾气分离装置6进行分离；

(5)步骤(4)所述的尾气分离后得到的氯硅烷通往第二精馏装置7，得到的H2 输入到热氢化装置5；

(6)将步骤(5)中进入第二精馏装置7的氯硅烷进行分馏，得到的STC进入热氢化装置5，得到的TCS进入电子级还原装置8。

步骤(1)中，所述TCS、H₂和DCS的摩尔比为10～30:30～150：1；所述TCS、H₂和DCS的总进料量为400～1500NM₃/h；所述电子级还原装置8的还原炉参数如下：炉内压力为1～5个大气压，硅芯温度为980～1200℃；

步骤(3)中，所述第三精馏装置中的包含两个串联使用的精馏塔，所述两个精馏塔的参数如下：回流比为2～20；压力0.5～3个大气压；塔顶温度45～70℃；塔釜温度 80～110℃；

步骤(4)中，所述STC和氢气的摩尔比为1:2.5～4；所述热氢化装置5和热氢化尾气分离装置6的还原炉采取参数如下：炉内硅芯表面温度为1000～1200℃，炉内压力1～3 个大气压；

步骤(5)中，所述第二精馏装置7中包含三个串联使用的精馏塔，所述三个精馏塔的参数如下：回流比为1.5～30，压力0.5～3个大气压，塔顶温度45～70℃，塔釜温度 80～110℃。

未采用所述尾气吸收的控制系统前，由于解吸塔底部的HCL含量波动较为厉害，往往导致吸收塔塔顶的HCL含量产生剧烈波动，对后续吸附效果造成严重影响。采用所述尾气吸收的控制系统后，通过开关第一气动三通阀920可控制向第一在线色谱仪 915进样的频率；所述第一在线色谱仪915连接到DCS控制系统917上，可将第一在线监测结果Q1输入DCS控制系统5；通过开关第二气动三通阀923可控制向第二在线色谱仪916进样的频率；所述第二在线色谱仪916连接到DCS控制系统917上，将第二在线监测结果Q2输入DCS控制系统917；

所述DCS控制系统917连接所述回流气动阀913，通过控制所述回流气动阀913 的气体流量调节所述解吸塔903的回流比，直至第一和第二在线监测结果Q1、Q2值到达预设控制值后，输出氢气至下一道工序。

所述第一和第二在线色谱仪引入管为1/8英寸规格的管道。

所述第一和第二气动三通阀控制向第一和第二在线色谱仪进样的频率为每5～30分钟进样一次。

所述DCS控制系统中917，Q1和Q2以串级控制的方式对回流气动阀913进行控制以达到控制解吸塔的回流比的目的。可以使吸收塔902对于氢气物料中HCL等杂质的吸收效果稳定有效，不会对后续吸附塔904中吸附提纯效果造成影响，进而能够产出纯度合格的氢气原料。

优选的，吸收塔902采用高效填料，理论塔板数量为10～30块板；解吸塔903采用高效填料，理论塔板数量为10～25块板，优选为15块板，解吸塔903的回流比设为4～8。

进一步优选的，所述吸附塔904塔体内置有中空内筒90407，所述中空内筒90407 自塔底贯穿塔室直至靠近塔顶位置，所述中空内筒90407下部设有外延伸段，所述外延伸段通过塔底的孔穿出塔外，所述中空内筒90407设有内筒出口管9040702和内筒入口管9040701，所述内筒出口管9040702设在所述中空内筒90407的底部，所述内筒入口管9040701自所述中空内筒90407的底部延伸至顶部，所述中空圆筒90407外部缠绕有中空的内盘管90408，所述内盘管90408的两端设有内盘管入口9040801和内盘管出口 9040802，所述内盘管入口9040801和内盘管出口9040802穿出塔体。

所述塔室可以多个，优选的是2～6个，所述塔室内各自独立的填充有吸附材料。每一层塔室的底板是可拆卸的，吸附材料堆填在底板上的。安装时从下往上一层一层安装填充。

所述塔室可以为4个，所述吸附材料各自独立的选自分子筛、1号活性炭、2号活性炭和3号活性炭，所述1号活性炭为椰壳活性炭，所述2号和3号活性炭为煤质活性炭。

所述分子筛的孔径为0.3-1nm；所述1号活性炭为椰壳活性炭，其主要孔径小于2nm，对应孔容为3-6ml/g；所述2号活性炭为煤质活性炭，其主要孔径为2-50nm，对应孔容为1-3ml/g；所述3号活性炭为煤质活性炭，其主要孔径大于50nm，对应孔容为0.5-2ml/g。

优选的，所述电子级还原装置的还原炉为内衬银CVD反应炉，还原炉为9或12对棒规格；使用内衬银CVD反应炉有以下优点：(1)利用银复层的高反射能力，使炉内气场和温场更加均匀；(2)利用银层的隔离作用杜绝了金属离子的释放，避免设备本体对多晶硅产品造成污染；(3)利用银不对多晶硅产生污染的特殊性，保证多晶硅中金属离子有较低的含量；利用银层的稳定性，达到炉筒内壁易清洗且不会发生腐蚀的目的。

太阳能级生产系统中的冷氢化装置接收了电子级系统的HCL，一方面电子级系统通过HCL排出带走了部分杂质，另一方面冷氢化装置在HCL通入后因为与硅的反应放热，节约了能耗，同时反应的发生使得STC的一次转化率提高，从实验结果来看，能耗大约降低了3～5％，一次转化率从22～23％提高至23～24％。

太阳能级生产系统的还原尾气回收料也可以作为电子级系统的补充TCS进行生产，但是从实际生产结果来看，其回收料的纯度低于太阳能级系统的合成料纯度，这是因为太阳能级系统中还原工序的杂质污染很严重，导致其尾气中杂质含量超标。本实用新型中的补充料为经过多次精馏纯化的合成料，可有效避免此问题。

通过太阳能级与电子级多晶硅生产系统的联合应用，能够有效的降低电子级多晶硅的生产成本，降低电子级多晶硅的质量控制风险，同事其副产的氯化氢通入太阳能级多晶硅生产系统，作为冷氢化装置的原料，能够有效的提高冷氢化装置的生产效率，进而对太阳能级多晶硅系统起到相应改善。

采用本实用新型的联合生产系统，可以将电子级多晶硅的生产成本降到最低，同时补充TCS是从自有的太阳能级系统采出，有效的杜绝了外购原料质量波动对于系统的影响，其外界依存度最低。电子级系统的HCL和DCS可以返回太阳能级系统，避免了其在电子级系统中不断循环产生的杂质聚集，对于提高系统纯度由很大帮助。

有益效果：本实用新型能够有效的降低电子级多晶硅的生产成本，降低电子级多晶硅的质量控制风险，同时提高太阳能级多晶硅生产系统的生产效率。

附图说明

图1根据本实用新型装置制备多晶硅的方法的流程图；

图2本实用新型中第二尾气回收装置的结构示意图；

图3本实用新型中多层吸附塔的结构示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本实用新型，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本实用新型。

本实用新型中STC代表四氯化硅、TCS代表三氯氢硅、DCS代表二氯二氢硅。

实施例1结合附图1～3，本实用新型所述的一种耦合的多晶硅生产系统，包含太阳能级多晶硅生产系统和电子级多晶硅生产系统，所述太阳能级多晶硅生产系统包括按以下方向顺序连接形成第一回路的第一精馏装置1、太阳能级还原装置2、第一尾气回收装置3和冷氢化装置4，所述电子级多晶硅生产系统包括按以下方向顺序连接形成第二回路的热氢化装置5、热氢化尾气分离装置6、第二精馏装置7、电子级还原装置8、第二尾气回收装置9、第三精馏装置10；所述第一精馏装置1连接到第二精馏装置7，所述热氢化尾气分离装置6连接到冷氢化装置4。

所述第二尾气回收装置9还连接到冷氢化装置4，所述第三精馏装置10还连接到太阳能级还原装置2。

所述第二尾气回收装置9还连接回电子级还原装置8，形成第三回路；所述第三精馏装置10连接回和第二精馏装置7，形成第四回路；所述第二精馏装置7还连接到热氢化装置5，形成第一支路，所述热氢化尾气分离装置6还连接回热氢化装置5，形成第五回路；所述冷氢化装置4还连接回第一精馏装置1形成第六回路；所述第一尾气回收装置3还连接回太阳能级还原装置2形成第七回路。

其中所述第二尾气回收装置9中包含深冷设备901、吸收塔902、解吸塔903、吸附塔904。

所述深冷设备901中部一侧设有进料口90101，中部另一侧设有气相出料口90102，底部设有液相出料口90103；

所述吸收塔902具有位于塔身侧壁靠下位置的第一进料口90201、位于塔身侧壁靠上位置的第二进料口90202、位于塔顶的第一出料口90203、位于塔底的第二出料口 90204；

所述解吸塔903具有位于塔身侧壁中部位置的第三进料口90301和位于塔身侧壁靠上位置的第四进料口90302、位于塔顶的第三出料口90303、位于塔底的第四出料口 90304；

所述吸附塔904底部设有气体入口管90401，顶部设有气体出口管90402；

所述气相出料口90102通过第一管道905连接第一进料口90201所述第二进料口 50102通过第二管道906和所述第四出料口90304相连；所述第一出料口90203通过第三管道907连接气体入口管90401，所述第二出料口90204通过第四管道908与第三进料口相连90301；所述液相出料口90103通过第五管道909接入第四管道908；

所述第三出料口90303通过第六管道910顺序连接塔顶换热器911、塔顶回流罐912、回流气动阀913和第四进料口90302，所述第六管道910在塔顶回流罐912和回流气动阀913之间第七管道914。

所述第二尾气回收装置9中还包含尾气吸收控制系统，所述尾气吸收控制系统包含：第一在线色谱仪915；第二在线色谱仪916；DCS控制系统917；

所述第二管道906上设有第一三通918，所述第一三通918两端连通第一管道906，第三端连通第一在线色谱仪引入管919；所述第一在线色谱仪引入管919末端连接有第一气动三通阀920，所述第一气动三通阀920通过管道连接于第一在线色谱仪915，所述第一在线色谱仪915连接到DCS控制系统917上；

所述第三管道907上设有第二三通921，所述第二三通921两端连通第三管道907，第三端连通第二在线色谱仪引入管922；所述第二在线色谱仪引入管922末端连接有第二气动三通阀923，所述第二气动三通阀923通过管道连接于第二在线色谱仪916，所述第二在线色谱仪916连接到DCS控制系统917上；

所述DCS控制系统917连接所述回流气动阀913。

所述吸附塔904为多层吸附塔，所述多层吸附塔904的塔体通过若干层塔板分为若干个塔室，塔顶设有塔底设有气体入口管90401和气体出口管90402；塔体外部绕有中空的外盘管90409，所述外盘管的两端设有外盘管入口9040901和外盘管出口9040902。

实施例2：

本实施例使用实施例1中耦合的多晶硅生产系统，但第二尾气回收装置中不使用尾气监控系统、同时使用的吸附塔为传统吸附塔，不使用多层吸附塔。

太阳能级系统为采用传统改良西门子法的年产能5000吨的多晶硅生产系统，在此基础上，耦合了电子级多晶硅生产系统。

电子级系统年产能为1000吨，配备12台12对棒还原炉，将已提纯的TCS、H2和 DCS以摩尔比20:80：1，通入电子级还原装置的还原炉内，炉内压力为2.2个大气压，硅芯温度控制在1080～1150度，单炉进料量为850NM3/h。在还原炉内进行化学气相沉积，生产电子级棒状多晶硅。

还原炉尾气包含STC、TCS、DCS和氢气，通往第二尾气回收装置以干法进行分离回收，氯硅烷混合物进入电子级多晶硅生产系统的第三精馏装置，回收得到的HCL通往太阳能级还原装置的冷氢化装置；回收H2则返回电子级还原装置循环利用。

第三精馏装置包含2个精馏塔，在这两个塔中，氯硅烷混合物料进行分离，第一精馏塔的塔底分离出的STC通往热氢化装置，第二个精馏塔的塔顶分离出少量DCS通往太阳能级系统，塔底分离出的含少量DCS的TCS通往第二精馏装置继续提纯。第一个精馏塔的参数如下：回流比为4，压力1.5个大气压；塔顶温度60～65℃；塔釜温度85～87℃；第二精馏塔回流比为7.5，压力1.3个大气压；塔顶温度28～32℃；塔釜温度 56～60℃；

第三精馏装置中分离出的STC和外部补充的氢气以摩尔比1:3.2混合后通入热氢化炉，炉内硅芯表面温度为1050～1100度，炉内压力2个大气压；大概15％～18％左右的 STC在热氢化装置中转化为TCS，形成以TCS、STC和氢气为主的尾气通往热氢化尾气分离系统进行分离，分离出的氯硅烷通往第二精馏装置，得到的HCL通往太阳能级系统的冷氢化装置。

将进入第二精馏装置的氯硅烷进行分馏，所述第二精馏装置采用第一精馏塔、第二精馏塔和第三精馏塔对所述氯硅烷进行分离纯化，将所述氯硅烷泵入所述第一精馏塔，所述第一精馏塔的塔釜采出物料STC进入热氢化装置，所述第一精馏塔的塔顶采出物料进所述第二精馏塔，所述第一精馏塔的塔顶少量含B的轻组分排出系统；所述第二精馏塔的塔釜采出TCS进入所述第三精馏塔，在所述第三精馏塔进行除重操作，少量重组分排出系统；所述第一精馏塔回流比为3.6，压力1.5个大气压，塔顶温度60℃，塔釜温度85℃；所述第二精馏塔回流比为25，压力0.5个大气压，塔顶温度60℃，塔釜温度80℃；所述第三精馏塔回流比为6，压力2个大气压，塔顶温度50℃，塔釜温度 75℃；

上述第三精馏塔输出的物料输入所述电子级还原装置；

将从太阳能级精馏系统中经过提纯的TCS物料作为电子级系统的补充料进入第二精馏装置进一步提纯后进行利用。

得到的电子级系统的多晶硅产品中B含量30～50ppt；P含量80～150ppt；少子寿命 1000～1050μs。

实施例3：

实施例3与实施例2的操作和参数相同，所不同的是，加尾气控制系统控制波动，得到的电子级系统的多晶硅产品中B含量30～45ppt；P含量80～130ppt；少子寿命 1000～1070μs。

实施例4

实施例4与实施例3的操作和参数相同，所不同的是，还采用多层吸附塔，得到的电子级系统的多晶硅产品中B含量20～40ppt；P含量80～120ppt；少子寿命1030～1100μs。