流化床内硅烷裂解制备粒状多晶硅过程的研究：硅颗粒增长的数值模拟与粉尘的热处理实验

发布时间：2018-07-13 09:30

【摘要】：发展太阳能产业是解决我国和世界资源和环境问题的有效途径。作为地球上资源丰富且发电效率高的太阳能转换材料,多晶硅生产代表了太阳能产业的水平。主流技术是采用含硅气体原料进行化学气相沉积,以钟罩反应器为基础的改进西门子法。但该反应器的缺点是间歇生产、规模小、能耗高、成本大,成为制约太阳能产业发展的一大障碍。采用流化床反应器连续制备粒状多晶硅,可以克服上述技术缺点,能耗仅为钟罩式反应器的十分之一,是太阳能光伏产业发展的关键技术之一。由于难以预测的气-固流动特性和复杂的硅烷裂解过程,本文采用以流体为研究对象的CFD(computational fluid dynamics)数值模拟方法,结合PBM(population balance model)粒群衡算模型,通过对流化床反应器尺度、气-固流尺度和床层颗粒尺度的耦合,预测反应器内流体的整体流动和硅颗粒粒径的变化;详细考察了颗粒增长机理、聚并过程、操作条件和硅烷动力学模型的影响。此外,本文还针对硅烷流化床技术中常见的副产物“粉尘”进行了高温热处理实验,得到了高粉尘晶度的煅烧条件。本论文的研究结果可为深入认识流化床反应器制备粒状多晶硅的过程供理论依据。论文的主要研究内容概括如下:首先,采用欧拉-欧拉两相流模型结合KTGF(kinetic theory of granular flow)理论,建立欧拉-颗粒流模型,基于Tejero-Ezpeleta和Hsu实验室研究,对流化床反应器内气-固流体的基本流动进行了模拟。考察了不同流化气速下床层流态的变化,并将模拟所得膨胀高度和传热系数,与经验计算值和相关理论进行比较。结果发现,所建立的欧拉-颗粒流模型能准确地述不同流化阶段的床层流型特征;在壁面加热条件下,通过能量守恒方程,得到均匀的床层温度分布。其次,基于中试级流化装置对大直径流化体系的欧拉-颗粒流模型参数进行了分析,深入考察了曳力模型、颗粒-颗粒碰撞恢复系数以及颗粒-壁面反射系数对床层颗粒流动的影响。结果发现,对于大直径反应器,曳力模型对流体结构的预测影响较大,与常用的Gidaspow曳力模型相比,EMMS曳力模型能更好地反映介尺度流体结构。根据分析结果得到适宜模型参数设置,预测得到最小流化速度和床层压降变化与理论值吻合。第三,基于以上大直径流化体系,通过PBM模型引入多分散颗粒粒径分布,与多晶硅制备过程中使用的初始硅种粒径分布接近,进一步考察多分散流化体系内气-固流动及聚并作用的影响。结果表明,对于窄粒径分布的流化体系,其床层流态与均一粒径体系基本一致,但因粒径差异会使床层产生的轻微分离;考虑聚并后,壁面小粒径颗粒减少,出现上层稀相区,颗粒向床层中下部聚集。所建立的欧拉-颗粒流模型适于述窄粒径分布流化体系的流动特征。第四,基于Tejero-Ezpeleta粒状多晶硅制备实验,建立CFD-PBM耦合模型,预测流化床内硅烷裂解过程中硅颗粒的增长,考察了颗粒聚并、SiH4表面沉积、SiH2表面沉积以及粉尘吸附的影响。所得模拟结果与实验数据比较,发现SiH4表面沉积和粉尘吸附过程为颗粒增长的主要因素。以CHEMKIN机理形式导入Ho出的硅烷气相裂解简化机理,模拟发现气相产物以Si2H6和Si3H8为主。第五,基于Hsu粒状多晶硅制备实验,采用上述耦合模型,分析现有硅烷裂解动力学模型对颗粒增长预测的适用性。结果显示,当硅烷摩尔分数为0.2和0.5时,Hogness均相和Furusawa非均相动力学模型条件下,所得颗粒增长速率与实验数据吻合,但该模型不适于高硅烷浓度模拟条件。此外,还考察了表面沉积和粉尘吸附在床层内的传质情况,发现表面沉积过程具有高传质速率,主要发生在底部颗粒密集区,而粉尘吸附过程虽传质速率较低,但发生在整个颗粒相。第六、针对硅烷流化床法制备粒状多晶硅过程中副产物粉尘的再利用,在空管反应器内进行硅烷均相裂解实验,取650℃的粉尘进行煅烧热处理,考察了煅烧温度、时间和压力对粉尘晶型、硅氢结构、形貌和粒径分布的影响。结果显示,高温真空煅烧条件能促进粉尘晶粒的聚集,释放粉尘中氢氧,有利于高粉尘的多晶性和纯度。
[Abstract]:The development of solar energy industry is an effective way to solve the problems of resource and environment in our country and the world . The results show that the particle size distribution in the fluidized bed is consistent with the experimental data . The results show that the particle size distribution in the fluidized bed is consistent with the experimental data .
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.12

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