用于制備高純度多晶硅顆粒的流化床提升管反應器及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及化工設備和化工技術領域，尤其涉及一種用于制備高純度多晶硅顆粒的循環流化床提升管反應器及方法。
【背景技術】
[0002]多晶硅被廣泛應用于半導體和光伏產業。近年來隨著光伏產業的迅猛發展，全世界對多晶硅的需求量快速增長，2012年多晶硅產量達17萬噸，其中光伏產業消耗占比高達85%。多晶硅生產技術是光伏產業鏈中最重要的一環，而環保和能耗問題一直是多晶硅產業的瓶頸。
[0003]目前國際上生產多晶硅的主要工藝是改良西門子法，其產能約占世界總產能的80%。改良西門子法又稱閉環式三氯氫硅氫還原法，是通過工業硅粉與氣態氯化氫的合成反應，生成由三氯氫硅、四氯化硅和二氯氫硅及其他雜質組成的混合物，經精餾提純后得到高純度的精制三氯氫硅，精制三氯氫硅在還原爐內進行化學氣相沉積(CVD)反應生產高純多晶娃。
[0004]改良西門子法具有技術成熟、操作相對安全、產品純度高等優點，但也存在能耗高、效率低下、生成成本高等缺點。相較于改良西門子法的鐘罩式反應器，流化床反應器(FBR)具有傳質傳熱速率快、沉積表面積大、結構簡單、能耗低和適于大規模連續化生產等優點，得到的粒狀多晶硅也能直接用于直拉單晶，減少了產品后處理過程，符合當今時代強調節能減排的理念，已逐漸成為化學氣相沉積制備多晶硅的主流反應器。但是，常規的流化床反應器也存在一些缺點，比如容易發生均相化學氣相沉積反應產生粉塵，產品純度不高等。另外由于常規流化床反應器大多采用反應器壁直接加熱，反應生成的硅容易沉積在反應器內壁上，使反應器壁面傳熱系數下降。而且由于有些反應器材料(比如石英)的熱膨脹系數與多晶硅差別較大，當壁面沉積的多晶硅達到一定厚度時，會造成反應器破裂，給操作安全帶來隱患。
[0005]目前已有多項針對化學氣相沉積方法制備多晶硅的流化床反應器專利。其中US3012861、US3012862、US4424199和US5139762等采用反應器壁直接加熱方式，CN103449442A采用旋風分離器對流化床頂部尾氣進行氣固分離并將固相送回流化床，但加熱方式仍采用流化床反應器壁直接加熱，這些專利存在上述粉塵生成和壁面沉積等問題。US4684513和CN103990422A采用流化床內浸式加熱，雖降低了反應器壁面沉積的風險，但容易產生內浸加熱元件表面沉積問題。US5374413、US5382412和CN103495366A采用微波加熱方式，這種方法可選擇性加熱硅粉顆粒，能有效減少粉塵生成和壁面沉積，但微波場在反應器中的控制難度較大。US4416913、US4992245和CN101780956B在流化床內設置套管，套管與反應器內壁間的環隙為加熱區，套筒內部為反應區，前兩個采用外加熱方式，第三個采用環隙間內浸式加熱，這些方式雖有助于減少粉塵生成，但難以實現對套筒內外硅粉顆粒流動的可靠控制。US4684513將流化床反應器分為上下兩部分加熱區域，80%左右的熱量由上部加熱區域輸入，上部溫度控制在650?800°C，下部溫度控制在450?650°C。這種加熱方式也有助于降低粉塵生成，但并不能有效改善壁面沉積問題。CN101318654B將流化床反應器加熱區和反應區在結構上相互隔開，在加熱區通入流化氣體，多晶硅顆粒在加熱區被流化和加熱，加熱后的多晶硅顆粒輸送到反應區，在反應區通入含硅氣體并發生反應，生成的單質硅沉積在多晶硅顆粒表面，由于多晶硅顆粒在加熱區加熱時，流化氣體會帶走大量熱，熱效率較低，且未從根本上解決粉塵生成問題。CN102502646B采用旋風分離器分離尾氣和硅粉顆粒，分離后的硅粉顆粒輸送至儲料罐中被加熱，這種加熱方式容易造成硅粉顆粒受熱不均，從而使反應效率下降。
[0006]因此，本領域的技術人員致力于開發一種用于制備高純度多晶硅顆粒的循環流化床提升管反應器及方法，以減少粉塵生成和壁面沉積，得到的產品純度高，生產效率也得到了提尚。
【發明內容】
[0007]有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供了一種用于制備高純度多晶硅顆粒的循環流化床提升管反應器及方法，硅粉顆粒在提升管反應器和旋風分離器之間循環進行反應-加熱過程，可以減少粉塵生成和壁面沉積，同時具有產品純度高，結構簡單，能耗低等優點。
[0008]為實現上述目的，本發明提供了一種用于制備高純度多晶硅顆粒的循環流化床提升管反應器，包括提升管反應器、旋風分離器、產品收集器及各連接管路；其中提升管反應器包括提升管、氣體分布器、含娃氣體加入口、流化氣體加入口、氣固輸運管路入口及固相輸運管路出口 ；旋風分離器設有加熱裝置、硅種加入口、尾氣出口、氣固輸運管路出口及固相輸運管路入口；氣固輸運管路和固相輸運管路連接在提升管反應器和旋風分離器之間；產品收集器設在尾接管底部或設在旋風分離器下部；其中，提升管反應器不設加熱裝置，是硅粉顆粒流化及氣力輸送和發生化學氣相沉積反應的場所；旋風分離器設有加熱裝置，是硅粉顆粒與尾氣發生氣固分離和硅粉顆粒加熱的場所；提升管反應器上方出口通過氣固輸運管路與旋風分離器上方入口連通；旋風分離器下方出口通過固相輸運管路與尾接管連通。
[0009]進一步地，氣體分布器由帽罩和圓臺形分布板構成，兩者圍成的空間為氣體緩沖區；帽罩上設有含硅氣體加入口 ；圓臺形分布板上均勻開氣體分布孔，優選地，氣體分布孔按正三角形方式開孔，孔徑為I?50mm，開孔率為5?50%，圓臺形分布板上底面和下底面內徑比為1.1?10:1 ;
[0010]氣體分布器下方設有尾接管，其內徑與圓臺形分布板下底面內徑相等；固相輸運管路出口連通至尾接管內管心線位置，流化氣體加入口末端設有流化氣體分布器且位于固相輸運管路出口的正下方。提升管位于氣體分布器的上方，其內徑與圓臺形分布板上底面內徑相等，提升管高徑比為2?50:1。
[0011]進一步地，旋風分離器為圓柱圓錐形，尺寸由氣固輸運管路的流量而定，上方設有尾氣出口，外部設有加熱裝置，底部經固相輸運管路與尾接管連通；加熱裝置為電阻加熱裝置、微波加熱裝置和電磁感應加熱裝置中的一種或幾種的組合；旋風分離器圓柱段部分設有娃種加入口，經導管伸入圓柱內部，導管出口與圓柱中心線徑向距離為1/2?4/5半徑。
[0012]進一步地，產品收集器設在尾接管底部或旋風分離器下部。
[0013]優選地，當產品收集器設在尾接管底部時，流化氣體加入口設在尾接管側面；當產品收集器設在旋風分離器下部時，流化氣體加入口設在尾接管下底面。
[0014]進一步地，提升管、氣體分布器和旋風分離器材料為石英或耐高溫金屬合金，內襯為多晶硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳化鎢(WC)中的一種或不使用內襯。提升管、氣體分布器、旋風分離器、氣固輸運管路和固相輸運管路均設有保溫層。
[0015]本發明還提供了一種使用如上所述的循環流化床提升管反應器制備高純度多晶硅顆粒的方法，含硅氣體在硅粉顆粒表面發生非均相化學氣相沉積反應，生成的單質硅沉積在硅粉顆粒表面；該方法包括以下步驟:
[0016]步驟一、流化氣體經流化氣體加入口及流化氣體分布器通入尾接管，使來自旋風分離器的高溫硅粉顆粒流化，形成流化床層；含硅氣體或含硅氣體與載氣的混合物經含硅氣體加入口通入帽罩與圓臺形分布板圍成的緩沖區，再經氣體分布孔進入流化床層，使硅粉顆粒流化，含硅氣體在硅粉顆粒表面發生非均相化學氣相沉積反應，生成的單質硅沉積在硅粉顆粒表面，硅粉顆粒不斷長大；
[0017]步驟二、硅粉顆粒在提升管反應器內隨流化氣體和含硅氣體向上氣力輸送，氣固混合物在提升管上方出口經氣固輸運管路進入旋風分離器，硅粉顆粒與尾氣實現分離，尾氣經尾氣排出口排出，硅粉顆粒沿旋風分離器的內壁螺旋式向下運動并被加熱裝置加熱至反應溫度；
[0018]步驟三、硅種經硅種加入口加入旋風分離器，與來自提升管反應器的硅粉顆粒一起被加熱裝置加熱至反應溫度；
[0019]步驟四、加熱后的高溫硅粉顆粒在旋風分離器底部經固相輸運管路返回提升管反應器，實現硅粉顆粒在提升管反應器和旋風分離器之間循環進行反應-加熱過程，直至顆粒大小達到多晶硅顆