西门子法多晶硅还原及尾气回收工艺的模拟优化研究
发布时间：2021-01-04 22:30
近年来,传统化石能源的大量开采和使用造成了严重的环境问题,亟需新能源来代替传统化石能源。太阳能作为清洁可再生能源,其转化利用的关键—多晶硅的生产技术已受到各国重视。我国主要采用改良西门子技术,使用的设备和工艺落后、成本高,严重制约了国内太阳能的利用和发展。所以,通过优化工艺来降低多晶硅生产成本,对太阳能的利用具有重要意义。本文首先介绍了改良西门子法生产多晶硅的过程,着重分析了还原和尾气回收工序的基本情况。针对还原工序,利用热力学知识对还原炉内各反应的热力学函数及平衡常数进行计算,分别绘制出各反应的△rHm/T 图、△rGm/T图,总结多晶硅还原炉内基本反应规律;推理计算理论能耗,为生产节能提供了理论支持。对多晶硅还原反应机理初步探索后,再利用Aspen-Plus模拟软件中的Gibbs反应器首先对传统西门子工艺进行模拟优化得到:配比控制为3/1,压力0.1MPa,温度为1200℃,与当前改良西门工艺相比多晶硅产率、α值（每摩尔进料气析出硅的物质的量）提高,单位能耗和各副产物产率下降;对加入二氯二氢硅的新工艺的反应进行模拟优化得到:二氯二氢硅控制在进料氯硅烷的20%,控制配比2.5/1,压...
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３流化床反应器示意图１４３＿４４】??
２．１改良西门子法工艺流程介绍??改良西门子法生产多晶硅主要利用冶金级硅来生产高纯的电子级或太阳能级多??晶硅，该法是在传统西门子法的基础上经过改进发展而来的。该工艺流程如图２．１：??Ｈ２〇￣￣???ＳｉＨＣｌ３｜ｉ?－１１０〇ｑ＝?ｈ２??＼＾）?ｒｎ＾ｍ?－６０?°Ｃ?，?０．５５ＭＰａ??丨？．．．置．?ＳｉＨＣｂ?＋?ＳｉＣＩ４??ｒ?ｗ??叮叮?＾?ＳｉＨＣＩ３４－?Ｓｉ〇４???????＾－＞ｖ?ｔ＾?ＳｉＨＣｔ３＋ＳｉＣＵ?Ｘ－Ｘ?ＨＣＩ?〇?一?’?ＨＣ？?１?＾??ｓｉＨ〇３?曹?ｐｆｉｌ?ｊｏ??１?’?１?１１，??ｈ２〇．？＞．?ｉ???，?ｉ??１＊１???图２．１改良西门子法工艺流程图［２８１??该法首先利用冶金级硅和ＨＣ１合成三氯氢硅，合成的三氯氢硅除去了大部分金??属杂质，再经尾气回收系统除去ＨＣ１后进入精馏塔提纯得到高纯度的三氯氢硅和各??种氯硅烷。得到的高纯三氯氢硅与电解产生的氢气（部分还原尾气回收的氢气）混合通??入还原炉在高温娃芯上析出多晶娃生成娃棒；还原后的尾气则进入尾气回收系统回??收系统作进一步处理。??改良西门子法与与传统西门子法相比，增加了完备的尾气回收系统和氢化系统，??实现了完全闭环生产，使尾气成分Ｈ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＨＣ１都得到了充分利用。同??时该方法多晶硅还原炉直径增大
°ｃ左右的高温硅芯上被还原，生成多晶硅沉积在硅芯上得到棒状多晶硅，尾气排出??还原炉的过程。该流程见图２．２：??多晶挂产品ｔ??Ａ?ｕＴ??氯氢硅三ｉ氢丰汽［器还原尾气??多品性还原炉??图２．２多晶硅还原物料系统??在整个过程中核心设备是多晶硅还原炉，其内部结构如图２．３??／?Ｉ?＼??．■?ｉ?：??Ｉ?Ｉ?５?？；？??；?Ｉ?ｔｃ３??Ｉ?ｔ??Ｉ?Ｉ?Ｉ??８１?Ｉ?ｊ?Ｉ?．??＾ｗＴｓＴＴ％?＂??Ｕｇ＞４Ｔｆｉ＾?Ｉ??图２．３还原炉内部结构图１７７１??１底盘，２电极，３尾气出气导管，４、５混合气进气管，??６、７底盘冷却水进、出水管，８、９炉体冷却水进、出水管，??１０炉体，１１硅芯，１２夹套管，１３视镜??如图２．３所示，８、９为炉体冷却水进出水管，用来冷却炉体，避免还原炉体在??内部高温下力学性能发生变化，保证还原炉的正常工作；底盘冷却水管６、７是用来??冷却底盘避免其烧坏底盘垫片及附属绝缘装置。??视镜１３的作用是观察还原炉内硅棒生长的状况，并对生长进行控制，保证硅棒??生长正常；物料ＴＣＳ和氢气由进料管４、５进入还原炉；通电的硅芯１１是进行化学??气相沉积反应的载体
【参考文献】：
期刊论文
[1]改良西门子法多晶硅生产工艺关键设备[J]. 郭丹,王恩俊,武锦涛,王泽武,银建中. 当代化工. 2013(07)
[2]多晶硅生产中氯化氢吸收塔的模拟研究[J]. 冯泽民,田先瑞. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2013(02)
[3]多晶硅生产尾气的回收再利用工艺概述[J]. 张雪华. 科技经济市场. 2012(10)
[4]流化床反应器制备太阳能级颗粒多晶硅技术研究[J]. 陈少纯,高远,王继民,顾珩,吴昊,曹洪杨. 稀有金属. 2012(04)
[5]西门子工艺制备多晶硅体系的热力学分析[J]. 彭耀东,覃攀,冉祎,李育亮,尚书勇,印永祥. 河南化工. 2012(07)
[6]流程模拟技术在石家庄炼化Ⅰ套催化装置上的应用[J]. 刘科文,康丽丽. 中外能源. 2011(S1)
[7]多晶硅尾气处理与净化工艺研究进展[J]. 马晔风,周俊波. 氯碱工业. 2010(09)
[8]流化床法制备太阳能级多晶硅冷态研究[J]. 李昀珺,铁生年. 青海大学学报(自然科学版). 2010(04)
[9]锌还原法生产多晶硅[J]. 赵春江. 新材料产业. 2009(05)
[10]冶金法制备太阳能级多晶硅新工艺原理及研究进展[J]. 吕东,马文会,伍继君,杨斌,戴永年. 材料导报. 2009(05)
硕士论文
[1]多晶硅还原工艺的流程模拟与优化[D]. 毛俊楠.天津大学 2012
[2]醇胺法脱碳工艺模拟与装置运行研究[D]. 姜鹏.大连理工大学 2009
[3]西门子法四氯化硅尾气处理新工艺的探索研究[D]. 龙桂花.中南大学 2009
[4]多晶硅生产过程的模拟分析[D]. 吕鹏飞.中国海洋大学 2008
本文编号：2957482
【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３流化床反应器示意图１４３＿４４】??
２．１改良西门子法工艺流程介绍??改良西门子法生产多晶硅主要利用冶金级硅来生产高纯的电子级或太阳能级多??晶硅，该法是在传统西门子法的基础上经过改进发展而来的。该工艺流程如图２．１：??Ｈ２〇￣￣???ＳｉＨＣｌ３｜ｉ?－１１０〇ｑ＝?ｈ２??＼＾）?ｒｎ＾ｍ?－６０?°Ｃ?，?０．５５ＭＰａ??丨？．．．置．?ＳｉＨＣｂ?＋?ＳｉＣＩ４??ｒ?ｗ??叮叮?＾?ＳｉＨＣＩ３４－?Ｓｉ〇４???????＾－＞ｖ?ｔ＾?ＳｉＨＣｔ３＋ＳｉＣＵ?Ｘ－Ｘ?ＨＣＩ?〇?一?’?ＨＣ？?１?＾??ｓｉＨ〇３?曹?ｐｆｉｌ?ｊｏ??１?’?１?１１，??ｈ２〇．？＞．?ｉ???，?ｉ??１＊１???图２．１改良西门子法工艺流程图［２８１??该法首先利用冶金级硅和ＨＣ１合成三氯氢硅，合成的三氯氢硅除去了大部分金??属杂质，再经尾气回收系统除去ＨＣ１后进入精馏塔提纯得到高纯度的三氯氢硅和各??种氯硅烷。得到的高纯三氯氢硅与电解产生的氢气（部分还原尾气回收的氢气）混合通??入还原炉在高温娃芯上析出多晶娃生成娃棒；还原后的尾气则进入尾气回收系统回??收系统作进一步处理。??改良西门子法与与传统西门子法相比，增加了完备的尾气回收系统和氢化系统，??实现了完全闭环生产，使尾气成分Ｈ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＨＣ１都得到了充分利用。同??时该方法多晶硅还原炉直径增大
°ｃ左右的高温硅芯上被还原，生成多晶硅沉积在硅芯上得到棒状多晶硅，尾气排出??还原炉的过程。该流程见图２．２：??多晶挂产品ｔ??Ａ?ｕＴ??氯氢硅三ｉ氢丰汽［器还原尾气??多品性还原炉??图２．２多晶硅还原物料系统??在整个过程中核心设备是多晶硅还原炉，其内部结构如图２．３??／?Ｉ?＼??．■?ｉ?：??Ｉ?Ｉ?５?？；？??；?Ｉ?ｔｃ３??Ｉ?ｔ??Ｉ?Ｉ?Ｉ??８１?Ｉ?ｊ?Ｉ?．??＾ｗＴｓＴＴ％?＂??Ｕｇ＞４Ｔｆｉ＾?Ｉ??图２．３还原炉内部结构图１７７１??１底盘，２电极，３尾气出气导管，４、５混合气进气管，??６、７底盘冷却水进、出水管，８、９炉体冷却水进、出水管，??１０炉体，１１硅芯，１２夹套管，１３视镜??如图２．３所示，８、９为炉体冷却水进出水管，用来冷却炉体，避免还原炉体在??内部高温下力学性能发生变化，保证还原炉的正常工作；底盘冷却水管６、７是用来??冷却底盘避免其烧坏底盘垫片及附属绝缘装置。??视镜１３的作用是观察还原炉内硅棒生长的状况，并对生长进行控制，保证硅棒??生长正常；物料ＴＣＳ和氢气由进料管４、５进入还原炉；通电的硅芯１１是进行化学??气相沉积反应的载体
【参考文献】：
期刊论文
[1]改良西门子法多晶硅生产工艺关键设备[J]. 郭丹,王恩俊,武锦涛,王泽武,银建中. 当代化工. 2013(07)
[2]多晶硅生产中氯化氢吸收塔的模拟研究[J]. 冯泽民,田先瑞. 青岛科技大学学报(自然科学版). 2013(02)
[3]多晶硅生产尾气的回收再利用工艺概述[J]. 张雪华. 科技经济市场. 2012(10)
[4]流化床反应器制备太阳能级颗粒多晶硅技术研究[J]. 陈少纯,高远,王继民,顾珩,吴昊,曹洪杨. 稀有金属. 2012(04)
[5]西门子工艺制备多晶硅体系的热力学分析[J]. 彭耀东,覃攀,冉祎,李育亮,尚书勇,印永祥. 河南化工. 2012(07)
[6]流程模拟技术在石家庄炼化Ⅰ套催化装置上的应用[J]. 刘科文,康丽丽. 中外能源. 2011(S1)
[7]多晶硅尾气处理与净化工艺研究进展[J]. 马晔风,周俊波. 氯碱工业. 2010(09)
[8]流化床法制备太阳能级多晶硅冷态研究[J]. 李昀珺,铁生年. 青海大学学报(自然科学版). 2010(04)
[9]锌还原法生产多晶硅[J]. 赵春江. 新材料产业. 2009(05)
[10]冶金法制备太阳能级多晶硅新工艺原理及研究进展[J]. 吕东,马文会,伍继君,杨斌,戴永年. 材料导报. 2009(05)
硕士论文
[1]多晶硅还原工艺的流程模拟与优化[D]. 毛俊楠.天津大学 2012
[2]醇胺法脱碳工艺模拟与装置运行研究[D]. 姜鹏.大连理工大学 2009
[3]西门子法四氯化硅尾气处理新工艺的探索研究[D]. 龙桂花.中南大学 2009
[4]多晶硅生产过程的模拟分析[D]. 吕鹏飞.中国海洋大学 2008
本文编号：2957482
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