探讨多晶硅冷氢化技术中四氯化硅的转化率.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：刘建海（1985），男，汉族，江苏沛县人，新特能源股份有限公司，本科，研究方向为新能源光伏领域，多晶硅的生产技术研发管理。-48-探讨多晶硅冷氢化技术中四氯化硅的转化率 刘建海 新特能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 831100 摘要：摘要：提升国内多晶硅产能，以及装置运行效率，解决国内光伏产业链可持续成长急需解决的关键问题是如何处理四氯化硅，提高四氯化硅的转化效率。文章结合多晶硅冷氢化技术进行研究，在工艺流程方面、流化床反应温度、反应压力、催化剂影响、以及流化床内部构件等因素进行分析。确保多晶硅冷氢化技术中的四氯化硅实现合理转化，并达到合理经济高效的转化率，满足实际工作的需求，最终推动相关行业的节能、低碳、绿色发展。关键词：关键词：多晶硅；冷氢化技术；四氯化硅；转化率 中图分类号：中图分类号：TQ127 针对多晶硅，其可以广泛使用在半导体和太阳能光伏产业。而在多晶硅的生产过程中，会产生副产物四氯化硅，通过冷氢化工艺可以将四氯化硅通过转化生成多晶硅的原料三氯氢硅。而四氯化硅的转化效率会影响多晶硅生产能力，所以，需要对多晶硅生产中四氯化硅的转化率进行合理控制，促使其满足实际生产的需求。基于此，文章结合多晶硅的冷氢化技术的基本情况，对四氯化硅的转化率进行分析，然后，再对影响转化率的因素进行研究，确保经过控制后，能实现多晶硅的合理生产，从而推动相关企业的稳步发展。1 多晶硅冷氢化技术的相关研究 针对多晶硅的基本情况，对多晶硅的生产方法进行分析。现结合实际情况，对多晶硅冷氢化技术进行研究，详细内容分析如下。冷氢化工艺简述：工业级硅粉 99 硅或 421、521 型号的硅粉利用气力输送至硅粉干燥器，干燥后排入硅粉中间料仓。硅粉在硅粉中间料仓中由氢气加压带入流化床反应器中。提纯后的四氯化硅经过加压、预热后送至四氯化硅汽化器，汽化后的四氯化硅气体经过加热器以及与流化床反应器出口的换热器进行热能综合利用后进一步加热后送至流化床反应器中。循环氢气和补充的新鲜氢气经各自的压缩机加压后混合，按与硅粉规定比例经过预热器、四级换热器、加热器加热后送至流化床反应器中。将来自还原尾气干法分离的氯化氢气体经压缩机加压和加热器加热后送至流化床反应器中。在流化床反应器中，硅粉与四氯化硅、氢气、氯化氢气体在 550左右、约 3.0MPa 压力下进行气固流化反应，生成含一定比例三氯氢硅的氯硅烷混合气。其主要反应方程式如下：Si+2SiCl4+H2+HCl3SiHCl3 或在没有氯化氢气体的情况下，在氢化反应器内硅粉与四氯化硅与氢气发生气固流化反应，主要化学反应方程式如下：Si+3SiCl4+2H24SiHCl3 反应后的氯硅烷混合气体经过急冷除尘系统，以除去反应气体中夹带的细微硅粉颗粒，同时使反应气体得到了降温。除尘后的反应气体经过冷凝器冷凝回收，冷凝液主要为氯硅烷的混合液，送入粗馏提纯工序分离，而主要组份为氢气的不凝气体则经循环氢气压缩机循环使用。2 多晶硅冷氢化技术中四氯化硅转化率研究 结合多晶硅冷氢化技术的基本情况，为了满足多晶硅的制造需求，在具体工作中，还会产生副产物四氯化硅，冷氢化生产三氯氢硅是目前解决还原副产的四氯化硅以及提供还原生产用三氯氢硅的重要生产方法，但是由于温度、压力、设备材质等生产的要求，致使冷氢化生产的过程中，转化率普遍偏低，需要对四氯化硅进行合理转换，促使其可以满足实际工作的需求。需要对四氯化硅的转换率进行简单分析。2.1 四氯化硅的转化效率因素分析 结合四氯化化硅的基本情况，对四氯化硅的生产进行分析，确保具体工作中，能够实现四氯化硅的合理生产，从而满足相关工业的生产需求。详细内容分中国科技期刊数据库 工业 A-49-析如下。主要化学反应方程式如下：Si+3SiCl4+2H24SiHCl3 为了满足实际工作的基本需求，通过对反应的主要方程式进行分析，确保具体工作中，实现四氯化硅的合理转化，一般工作中，四氯化硅工作期间，其转化率会受到流化床反应过程中的温度、压力、床层高度、氢气配比、催化剂的添加量等内容的影响，都会给转化率带来影响。一般在转化时，如果压力在 2.0-3.0MPa 左右，那么四氯化硅的转化率就可以在的 18%25%左右，且在生 产 中，每 转 化 1kg 四 氯 化 硅，将 消 耗 电 量0.2-0.25kWh，进而可以满足转化率控制需求，而在生产期间，还有可能产生次生污染，为了实现循环生产，为了满足工作需求，要对转化率进行合理控制，促使转化率可以满足具体工作需求。2.2 工艺参数对转化率的影响 结合多晶硅冷氢化技术中四氯化硅的转化率的相关内容，需要对影响转化率的影响进行分析，确保具体工作中，转化率可以得到合理控制，进而满足多晶硅生产的基本需求，全面推动多晶硅需求行业的发展需求，详细内容分析如下。2.2.1 反应温度对转化率的影响 结合多晶硅冷氢化技术的基本情况，对具体工艺中，温度给四氯化硅的转化率的影响进行分析，确保具体工作中，能够做好转化率的合理控制，工作期间，需要对系统压力进行控制，然后，再对反应料为压差和摩尔配比进行分析，确保氢气过量的情况，其他的条件，基本不发生变化，在系统稳定运行之后，需要间隔 3h 进行一次取样，然后，测定 STC 的摩尔转化率。经过计算后，能够得到在其他反应条件不变的情况下，随着反应温度的提升，会使得 STC 摩尔转化率逐渐升高，通常情况下，随着温度的升高，有助于提高氢化反应的速度，而当温度上升到一定程度，则会给三氯氢硅的转化率带来影响。目前，常见的冷氢化生产三氯氢硅的办法是在高温条件下，由硅粉、四氯化硅与氢气在流化床中发生化学反应。由于冷氢化反应基本接近热量平衡，而所需求的反应需要长期维持在较高温度，考虑到后续的热量损失严重，整个工艺对热量需求较大；另一方面，氯化氢的补入，则增加了流化床内合成反应热，如果不能充分利用这部分热能则造成资源的浪费。预热后的氯化氢气体使得三氯氢硅的冷氢化转化率显著提高 2%-4%，并且相对于对氯化氢气体预热不足和将氯化氢气体预热过高两种情况而言，均降低了后期冷氢化反应所消耗的电能耗，节约了能源，减少了原材料的损耗。如下图 1 所示，为四氯化硅转化率与反应温度的关系。图 1 四氯化硅转化率与反应温度的关系 2.2.2 反应压力对转化率的影响 在具体转化率分析中，还可以发现反应压力也会给转化率带来影响，在其他条件不变的情况，压力增加，STC 摩尔转化率也会升高，压力越高对应的转化率越高，一定的氢气压力下氢气的溶解度和反应活性都会得到一定的提升从而促进反应的进行。在同反应温度、氢气配比的前提下，经过长周期取样分析冷氢化反应压力的提升可提高三氯氢硅转化率 2%左右，压力越高对应的转化率越高，但是不能为了追求转化率一味的提升压力。反应器压力超出一定范围，也会严重影响转化率。如下图 2 所示，为四氯化硅转化率与反应压的关系。图 2 四氯化硅转化率与反应压的关系 中国科技期刊数据库 工业 A-50-2.2.3 催化剂对转化率的影响 催化剂就是加快或者减慢化学反应的一种物质，催化剂和催化反应体系各种各样。催化剂在催化过程中改变化学物质的活性，它的反应体系一般有均相催化反应和多相催化反应，在反应之间有着比较大的差异，所以对于化学反应的速率就有不同的影响。冷氢化催化过程中普遍使用铜基催化剂、镍基催化剂。如下图 3 所示，为催化剂对转化率的影响实际情况。图 3 催化剂对转化率的影响实际情况 采用CuCl作为四氯化硅冷氢化制备三氯氢硅的基础催化剂，将不同金属氯化物与硅粉进行混合用于四氯化硅冷氢化制备三氯氢硅的催化反应，解决了单纯使用 CuCl 作为催化剂所存在的转化率低、易流失等问题。克服了铜基催化剂转化率低、易流失的缺点。催化剂组合物不需要前处理也不需要活化。具有制备过程简单，而且无耗能，不需要多余的原料等优势。为了充分发挥催化剂的作用，需要将催化剂和硅粉能够充分混合，同时增加催化剂在流化床的停留时间使催化剂充分发挥催化作用；显著提高了冷氢化反应中四氯化硅的转化率，并且整个反应过程相对稳定。针对当前多晶硅冷氢化技术中三氯氢硅收率的实际情况，在生产过程中催化剂的使用有助于进一步提升产品质量，可以将三氯氢硅的收率稳定在较高的水平，与不添加催化剂的生产工艺相比，添加催化剂的之后的转化率更加的稳定，符合企业大规模生产的要求。可以显著的增加现有技术中的装置的单位时间的三氯氢硅产量，获得明显的经济效益。2.2.4 均匀分布气流对转化率的影响 从上面我们知道现在采用冷氢化工艺处理四氯化硅的转化率只有 25%左右，通过工艺改进或设备改进来提升其转化率的的空间非常大，改进流化床反应器的内部的气体分布板，从而来提高四氯化硅的转化率和转化效率，通过减少催化剂在气体分布板上的黏着来减少影响设备的检修，从而来减少维修时间，增加生产工时，降低生产成本，提高产品的市场竞争力。流化床的气体分布板是保证流化床具有良好而稳定流态化的至关重要的构件。能够使流化床有一个良好的起始流态化状态，防止形成死角。流化床的气体分布板，应满足根本要求：（1）具有均匀分布气流的作用，同时其压降要小。这可以通过正确选取分布板的开孔率或分布板压降与床层压降之比，以及选取适当的预分布手段来达到。（2）能使流化床有一个良好的起始流态化状态，防止形成“死角”。（3）流化床的硅粉颗粒群有类似流体的性质，分布板具有气体破泡的性质，可以起到均匀破泡，平稳气流。（4）由于流-固体系中空隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，这样在很宽范圉内均能形成较浓密的床层。所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。气体分布板的作用有四:一是支撑床层上的催化剂或其他固体颗粒;二是分流，使气体均匀分布在床层的整个床面上，造成良好的起始流化条件:三是导向，可抑制气固系统恶性的聚式流态化，有利于保证床层稳定。四是起到气流破泡作用，均匀反应，提高三氯氢硅的转化效率及收率。分布板对整个床层的流态化状态具有决定性的影响。可有效控制反应物的浓度分布，在一定反应物的浓度下反应速率和选择性都会得到一定程度的提高，同时还能避免不必要的副反应，从而达到最佳的反应效果。既具有破碎气泡效率高、通量高、不易堵塞的优势，又不易磨损，相应延长了内构件的使用周期；所述内构件应用于流化床反应器中可以改善流化床内部气固相流动状态，提高传质与传热效果，提高反应器性能。促使多晶硅的生产能耗得到降低，效率提高，最终推动相关行业的健康发展。3 结束语 文章结合多晶硅冷氢化技术中的基本情况，先对多晶硅的氢化技术进行简单分析，然后，再对多晶硅冷氢化技术中四氯化硅的转化率的相关内容进行分析，明确四氯化硅转化率的控制原因及控制措施，最后，中国科技期刊数据库 工业 A-51-再对四氯化硅转化率的影响因素进行分析，确保多晶硅在生产中，提高了转化率的同时减少了电加热器的负荷并且减少了原材料的消耗。整个过程中物料循环利用，无污染，有利于环境保护，减少企业成本、增加企业效益。能够保证生产效果，从而满足相关行业的发展要求。参考文献 1刘虎,杜斌功,周国峰.振动时效和热时效对原生多晶硅棒应力消除研究J.中国石油和化工标准与质量,2023,43(8):98-100.2 张 伟,刘 彦 彦.一 种 区 熔 法 对 多 晶 硅 棒 进 行 磷 检 验 的 设 备 结 构 设 计 J.机 电 产 品 开 发 与 创新,2023,36(2):65-67.3袁川江,周万礼,乔云.多晶硅生产中尾气分置回收及应用J.云南化工,2023,50(1):122-124.4杨飞宇.氯化亚铜对多晶硅冷氢化技术中三氯氢硅收率的影响J.化工设计通讯,2022,48(2):91-93.5杜树忠,周万礼,刘自松.多晶硅生产中以四氯化硅补氯方式探讨J.云南科技管理,2021,34(4):62-64.