一種三氯氫硅等離子體制備方法及其制備裝置制造方法
【專利摘要】一種三氯氫硅的等離子體制備方法及其制備設(shè)備。首先氫氣與四氯化硅蒸汽按一定比例混合，然后將其預(yù)熱到一定溫度，預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)過等離子體反應(yīng)器，產(chǎn)物隨后經(jīng)過冷卻同時進一步發(fā)生反應(yīng)，之后被冷凝為液體，冷凝后的產(chǎn)物最后收集并分離。本發(fā)明所述方法及其裝置完成對四氯化硅的氫化，生成三氯氫硅，具有處理成本低、工作效率高、無環(huán)境污染等特點。
【專利說明】一種三氯氫硅等離子體制備方法及其制備裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三氯氫硅等離子體制備方法及其制備裝置。
技術(shù)背景
[0002]多晶硅是電子工業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)所需的主要原料。隨著全球能源危機的日益加劇，太陽能作為一種清潔、可持續(xù)再生的能源，在全球范圍內(nèi)越來越受到關(guān)注。太陽能級多晶硅(雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-6~10-5 )作為生產(chǎn)太陽能電池的重要原料，需求量逐年上升。
[0003]然而，生產(chǎn)多晶硅對環(huán)境的危害相當(dāng)大。目前國內(nèi)多晶硅企業(yè)所采用的生產(chǎn)方法均為西門子法，副產(chǎn)大量的四氯化硅。每生產(chǎn)I t多晶硅同時產(chǎn)生18 t四氯化硅。四氯化硅是高毒性物質(zhì)，對人的眼睛、皮膚、呼吸道有強烈刺激；遇到潮濕空氣立即分解，生成硅酸和氯化氫。若不經(jīng)處理便排放或掩埋四氯化硅，將嚴(yán)重污染環(huán)境，并使排放地或掩埋地寸草不生。由于四氯化硅轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)被國外少數(shù)幾家企業(yè)壟斷，若建處理四氯化硅的裝置，其技術(shù)引進費用幾乎占全部投資的I / 3，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)沒有此類裝置。因此，妥善處理四氯化硅是提高國內(nèi)多晶硅生產(chǎn)能力、實現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展而必須解決的一個十分迫切的問題。
[0004]盡管通過利用四氯化硅生產(chǎn)白炭黑、有機硅等產(chǎn)品的技術(shù)消耗到部分四氯化硅，但得不償失，利潤很低。因此將四氯化硅還原生產(chǎn)三氯氫硅技術(shù)一直是全球各大多晶硅生產(chǎn)企業(yè)十分關(guān)注的問題。該技術(shù)在處理副產(chǎn)物四氯化硅的同時，還可得到生產(chǎn)多晶硅的原料三氯氫硅，從而沒有量的限制，而且在處理過程中產(chǎn)生的氯化氫可以回到三氯氫硅合成工序加以利用，避免四氯化硅污染和前述方法可能產(chǎn)生的次生污染，可謂是一舉多得的好辦法。
[0005]目前，正在研究的四氯化硅還原生產(chǎn)三氯氫硅的方法有:傳統(tǒng)的硅粉與氫氣還原法、熱氫化技術(shù)、催化加氫工藝等。但均優(yōu)于或者對設(shè)備要求太苛刻，或難以工業(yè)化放大以及轉(zhuǎn)化率太低未得到應(yīng)用。`

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種利用等離子體氫化還原三氯氫硅的方法，降低反應(yīng)溫度，提高轉(zhuǎn)化率及降低能耗等。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種三氯氫硅等離子體制備方法，首先將氫氣與四氯化硅蒸汽按比例混合，然后將其預(yù)熱，預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)過等離子體反應(yīng)器，產(chǎn)物隨后經(jīng)過冷卻同時進一步發(fā)生反應(yīng)，之后被冷凝為液體，冷凝后的產(chǎn)物最后收集并分離。
[0008]優(yōu)選的，所述氫氣與四氯化硅蒸汽混合氣體的流量比為1~4.5。
[0009]優(yōu)選的，所述氫氣與四氯化硅蒸汽混合氣體的預(yù)熱溫度為100°C ~30(TC。
[0010]優(yōu)選的，所述等離子體發(fā)生器的電源頻率為40Khz~200Khz。
[0011]優(yōu)選的，所述冷卻后的溫度為20°C ~100°C。[0012]本發(fā)明還提供一種三氯氫硅等離子體制備裝置，包括依次連接的四氯化硅蒸發(fā)汽化裝置、氣體混合預(yù)熱裝置、等離子體發(fā)生器及反應(yīng)器、產(chǎn)物冷卻及冷凝裝置。
[0013]優(yōu)選的，所述三氯氫硅等離子體制備裝置電場的施加采用容性放電。
[0014]優(yōu)選的，所述等離子體反應(yīng)器為管狀結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明利用氫氣被電離后的高能粒子與四氯化硅發(fā)生反應(yīng)，生成三氯氫硅。主要反應(yīng)機理如下:
H2 — H.+H.(I)
SiCl4 — SiCl2.+2C1.(2)
H.+SiCl4 — SiCl3.+HCl(3)
SiCl3.+H.— SiCl2+HCl(4)
SiCl3.+H.—SiHCl3(5)
SiCl3.+HCl — SiHCl3(6)
其中第六步為低溫下反應(yīng)，在冷卻器中進行。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點:
Cl)轉(zhuǎn)化率大大提高，單程轉(zhuǎn)化率達到60%以上。而傳統(tǒng)方法的轉(zhuǎn)化率不足20% ；
(2)成本低，傳統(tǒng)化工方法，設(shè)備復(fù)雜，高溫高熱反應(yīng)，對結(jié)構(gòu)要求高，能耗高。而等離子體結(jié)構(gòu)相對簡單，反應(yīng)溫度低；
(3)效率高，等離子體反應(yīng)效率高，原子及離子溫度達到4000k，反應(yīng)過程在瞬間完成，效率大大提聞；
(4)裝置簡單，由于反應(yīng)溫度低，過程快，對設(shè)備材料及輔助設(shè)備要求相對較低。
[0017]本發(fā)明所述方法及其裝置用于四氯化硅的氫化，生產(chǎn)多晶硅產(chǎn)業(yè)的原理三氯氫硅，實現(xiàn)多晶硅產(chǎn)業(yè)的零排放目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明原理示意圖，圖中1，預(yù)熱器；2，等離子體反應(yīng)器；3，放電電源；4，氫氣回收裝置；5，冷卻器；6，冷凝器；7，分離系統(tǒng)。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]一種三氯氫硅等離子體制備方法，首先將氫氣與四氯化硅蒸汽按比例混合，然后將其預(yù)熱，預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)過等離子體反應(yīng)器，產(chǎn)物隨后經(jīng)過冷卻同時進一步發(fā)生反應(yīng)，之后被冷凝為液體，冷凝后的產(chǎn)物最后收集并分離。
[0021]實施例1，
如圖1所示，首先氫氣與四氯化硅蒸汽按2.5的流量比混合，然后通過預(yù)熱器(I)將其預(yù)熱到200°C，預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)過等離子體反應(yīng)器(2)，產(chǎn)物隨后經(jīng)過冷卻器(5)冷卻至40°C，同時進一步發(fā)生反應(yīng)，之后產(chǎn)物通過冷凝器(6)被冷凝為液體，冷凝后的產(chǎn)物最后收集后通過分離系統(tǒng)(7)分離，未反應(yīng)的氫氣經(jīng)氫氣回收裝置(4)回收再利用。
[0022]等離子體發(fā)生器的電源頻率為4(T200Khz，電場的施加采用容性放電，等離子體反應(yīng)器為管狀結(jié)構(gòu)。[0023]通過氣相色譜測定得到三氯氫硅的單程轉(zhuǎn)化率為55%。
[0024]實施例2，
首先氫氣與四氯化硅蒸汽按I的流量比混合，然后通過預(yù)熱器(I)將其預(yù)熱到300°C，預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)過等離子體反應(yīng)器(2)，產(chǎn)物隨后經(jīng)過冷卻器(5)冷卻至20°C，同時進一步發(fā)生反應(yīng)，之后產(chǎn)物通過冷凝器(6)被冷凝為液體，冷凝后的產(chǎn)物最后收集后通過分離系統(tǒng)(7 )分離，未反應(yīng)的氫氣經(jīng)氫氣回收裝置(4)回收再利用。
[0025]等離子體發(fā)生器的電源頻率為4(T200Khz，電場的施加采用容性放電，等離子體反應(yīng)器為管狀結(jié)構(gòu)。
[0026]實施例3，
首先氫氣與四氯化硅蒸汽按4.5的流量比混合，然后通過預(yù)熱器(I)將其預(yù)熱到100°C，預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)過等離子體反應(yīng)器(2)，產(chǎn)物隨后經(jīng)過冷卻器(5)冷卻至20°C，同時進一步發(fā)生反應(yīng)，之后產(chǎn)物通過冷凝器(6)被冷凝為液體，冷凝后的產(chǎn)物最后收集后通過分離系統(tǒng)(7)分離，未反應(yīng)的氫氣經(jīng)氫氣回收裝置(4)回收再利用。
[0027]等離子體發(fā)生器的電源頻率為4(T200Khz，電場的施加采用容性放電，等離子體反應(yīng)器為管狀結(jié)構(gòu)。
[0028]本發(fā)明還提供一種三氯氫硅等離子體制備裝置，包括依次連接的四氯化硅蒸發(fā)汽化裝置、氣體混合預(yù)熱裝置、等離子體發(fā)生器及反應(yīng)器、產(chǎn)物冷卻及冷凝裝置、還包括分離
>J-U ρ?α裝直。
[0029]本發(fā)明利用氫氣被電離后的高能粒子與四氯化硅發(fā)生反應(yīng)，生成三氯氫硅。主要反應(yīng)機理如下:
H2 — H.+H.(I)
SiCl4 — SiCl2.+2C1.(2)
H.+SiCl4 — SiCl3.+HCl(3)
SiCl3.+H.— SiCl2+HCl(4)
SiCl3.+H.—SiHCl3(5)
SiCl3.+HCl — SiHCl3(6)
其中第六步為低溫下反應(yīng)，在冷卻器中進行。
[0030]上述實施例中，對于參數(shù)的選擇，所述氫氣與四氯化硅蒸汽混合氣體的流量比為1-4.5，所述氫氣與四氯化硅蒸汽混合氣體的預(yù)熱溫度為100°C ~300°C，所述等離子體發(fā)生器的電源頻率為40Khz~200Khz，所述冷卻后的溫度為20°C~100°C。各參數(shù)在上述區(qū)間根據(jù)需要任意選擇具體值。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點:
Cl)轉(zhuǎn)化率大大提高，單程轉(zhuǎn)化率達到60%以上。而傳統(tǒng)方法的轉(zhuǎn)化率不足20% ；
(2)成本低，傳統(tǒng)化工方法，設(shè)備復(fù)雜，高溫高熱反應(yīng)，對結(jié)構(gòu)要求高，能耗高。而等離子體結(jié)構(gòu)相對簡單，反應(yīng)溫度低；
(3)效率高，等離子體反應(yīng)效率高，原子及離子溫度達到4000k，反應(yīng)過程在瞬間完成，效率大大提聞；
(4)裝置簡單，由于反應(yīng)溫度低，過程快，對設(shè)備材料及輔助設(shè)備要求相對較低。
[0032]本發(fā)明所述方法及其裝置用于四氯化硅的氫化，生產(chǎn)多晶硅產(chǎn)業(yè)的原理三氯氫硅，實現(xiàn)多 晶硅產(chǎn)業(yè)的零排放目的。
【權(quán)利要求】
1.一種三氯氫硅等離子體制備方法，其特征在于，首先將氫氣與四氯化硅蒸汽按比例混合，然后將其預(yù)熱，預(yù)熱后的混合氣體經(jīng)過等離子體反應(yīng)器，產(chǎn)物隨后經(jīng)過冷卻同時進一步發(fā)生反應(yīng)，之后被冷凝為液體，冷凝后的產(chǎn)物最后收集并分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氯氫硅等離子體制備方法，其特征在于，所述氫氣與四氯化硅蒸汽混合氣體的流量比為1~4.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氯氫硅等離子體制備方法，其特征在于:所述氫氣與四氯化硅蒸汽混合氣體的預(yù)熱溫度為100°c ~300°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氯氫硅等離子體制備方法，其特征在于，所述等離子體發(fā)生器的電源頻率為40Khz~200Khz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三氯氫硅等離子體制備方法，其特征在于，所述冷卻后的溫度為 200C ~100。。。
6.一種三氯氫硅等離子體制備裝置，其特征在于，包括依次連接的四氯化硅蒸發(fā)汽化裝置、氣體混合預(yù)熱裝置、等離子體發(fā)生器及反應(yīng)器、產(chǎn)物冷卻及冷凝裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三氯氫硅等離子體制備裝置，其特征在于，所述三氯氫硅等離子體制備裝置電場的施加采用容性放電。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三氯氫硅等離子體制備裝置，其特征在于，所述等離子體反應(yīng)器為管狀結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】C01B33/107GK103787338SQ201210418433
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月29日
【發(fā)明者】王紅衛(wèi) 申請人:王紅衛(wèi)