一种改进型多晶硅还原炉的制作方法

1.本实用新型属于多晶硅生产设备的技术领域，具体而言，涉及一种改进型多晶硅还原炉。


背景技术：

2.多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
3.多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法。西门子法通过气相沉积的方式生产柱状多晶硅，为了提高原料利用率和环境友好，在前者的基础上采用了闭环式生产工艺即改良西门子法，该工艺将工业硅粉与hcl反应，加工成sihcl3，再让sihcl3在h2气氛的还原炉中还原沉积得到多晶硅。还原炉排出的尾气h2、sihcl3、sicl4、sih2cl2和hcl经过分离后再循环利用。硅烷法是将硅烷通入以多晶硅晶种作为流化颗粒的流化床中，使硅烷裂解并在晶种上沉积，从而得到颗粒状多晶硅。改良西门子法和硅烷法主要生产电子级晶体硅，也可以生产太阳能级多晶硅。
4.近年来，随着多晶硅产量需求的不断提高，多晶硅生产工艺不断更新，但传统的还原炉始终存在顶部温度高的问题，多年以来硅棒顶部横梁的爆米花现象一直饱受行业诟病，目前亟需一种方法解决还原炉顶部爆米花现象的问题。


技术实现要素：

5.鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种改进型多晶硅还原炉以达到能够改变炉内流场，保证还原炉内部气体分布均匀，有效降低还原炉顶部温度，并有助于提高多晶硅还原炉的产品质量的目的。
6.本实用新型所采用的技术方案为：一种改进型多晶硅还原炉，包括炉筒和密封设于炉筒上的底盘，该还原炉还包括：
7.分别连通于炉筒底部的底部尾气管路和尾气二次进口管路；
8.连通于炉筒顶部的顶部尾气管路，且顶部尾气管路的另一端连接有第一支管和第二支管，第一支管和第二支管分别连接至尾气二次进口管路和底部尾气管路；所述顶部尾气管路和第二支管上分别设有第一调流阀和第二调流阀，通过第一调流阀和第二调流阀的开度大小共同调节底部尾气管路的尾气流量。
9.进一步地，所述顶部尾气管路上位于第一调流阀的出口侧连接有冷却水管，冷却水管上设有第三调流阀，以通过第三调流阀调节喷入顶部尾气管路的冷却水流量，进而对顶部尾气作冷却降温。
10.进一步地，所述顶部尾气管路上位于第一调流阀的进口侧设有温度计，通过温度计所监测的温度大小控制第三调流阀的开度大小，以通过温度计的测量值将顶部尾气控制在合理的温度范围。
11.进一步地，所述底部尾气管路上设有流量计，通过流量计所监测的流量大小控制第一调流阀和第二调流阀的开度大小，以通过流量计的测量值并结合第一调流阀和第二调流阀的开度大小调节，以将炉筒的顶部温度控制在合理的范围内。
12.进一步地，所述第一支管上设有增压泵，通过增压泵将顶部尾气进行增压后通过尾气二次进口管路进入炉筒内，以实现尾气的二次反应。
13.进一步地，所述顶部尾气管路包括：
14.连接于炉筒顶部的夹套管，所述夹套管的内管与炉筒的内筒连通，且夹套管的外管与炉筒的夹套连通；
15.顶部尾气管，所述顶部尾气管与夹套管的内管连通；设置夹套管的结构以将炉筒的顶部尾气口与顶部尾气管进行良好的连接。
16.进一步地，所述夹套管的外管上设有炉筒出水管，炉筒出水管连接有出水管，以实现炉筒夹套的冷却水循环流动；所述夹套管的内管与炉筒的内筒之间通过膨胀节连通，以防止炉筒的顶部升温膨胀后影响密封性。
17.进一步地，所述还原炉还包括：尾气进料环管，所述尾气进料环管的一侧通过多个尾气进料管连通至炉筒，另一侧并联连通有tcs原料气进管和h2原料气进管，tcs原料气和h2原料气进入炉筒内作化学反应；
18.所述底部尾气管路包括尾气出料环管，所述尾气出料环管的一侧通过多个尾气管连通至炉筒，另一侧连通有尾气出料管且尾气出料管与第二支管连通，以将还原炉内经化学反应后产生的尾气由尾气出料管排出。
19.进一步地，所述尾气出料管的出口连接有尾气总管，且尾气总管上设有第四调流阀，通过尾气总管排放尾气至下一工序。
20.进一步地，所述尾气二次进口管路包括尾气二次环管，所述尾气二次环管的一侧通过多个尾气二次管连通至炉筒，另一侧连通有尾气二次进料管，且尾气二次进料管与顶部尾气管路连通，以通过尾气二次进口管路将经增压后的顶部尾气输入至炉筒内。
21.本实用新型的有益效果为：
22.1.采用本实用新型所提供的改进型多晶硅还原炉，其在还原炉的顶部和底部同时出尾气，同时，顶部的尾气可通过增压泵增压后二次进入还原炉的内部进行二次反应，实现收率的增加，并能够保证还原炉内部气体分布均匀，且能够有效降低还原炉顶部温度，有助于提高多晶硅还原炉的生产质量。
23.2.采用本实用新型所提供的改进型多晶硅还原炉，在实际应用时，其通过顶部尾气管路上的温度计实时监测顶部尾气温度，顶部尾气管路的尾气可排入至炉筒进行二次反应，并通过底部尾气管路上的流量计对顶部尾气管路的流量进行控制，进而对顶部温度进行有效控制，在改善产品质量的同时兼顾的电耗和硅耗，同时还能改善炉内流场和温场情况。
附图说明
24.图1是本实用新型所提供的改进型多晶硅还原炉的整体结构示意图；
25.图2是本实用新型所提供的多晶硅还原生产方法的整体管路流程示意图；
26.附图中标注如下：
[0027]1‑
顶部尾气管冷却水出口，2
‑
夹套管冷却水出口，3
‑
炉筒夹套冷却水入口，4
‑
尾气进料环管，5
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尾气出料管，6
‑
顶部尾气管，7
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夹套管，8
‑
炉筒，9
‑
底盘，10
‑
尾气二次环管，11
‑
尾气二次进料管，12
‑
尾气出料环管，13
‑
增压泵，14
‑
第三调流阀，15
‑
温度计，16
‑
第一调流阀，17
‑
第二调流阀，18
‑
第四调流阀，19
‑
流量计，20
‑
冷却水进水管，21
‑
冷却水出水管。
具体实施方式
[0028]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0029]
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0030]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0032]
在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0033]
在本实用新型实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义；实施例中的附图用以对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0034]
实施例1
[0035]
在本实施例中具体公开了一种改进型多晶硅还原炉，包括炉筒8和密封设于炉筒8上的底盘9，由炉筒8和底盘9共同形成还原炉的主体部分。而在本实施例中，为解决在还原炉的顶部温度过高的问题，如图1所示，该还原炉进行改进如下：
[0036]
在炉筒8的底部下方设有尾气进料环管4，所述尾气进料环管4的一侧通过多个尾气进料管穿过底盘9后密封连通至炉筒8，另一侧并联连通有tcs原料气进管和h2原料气进管，在tcs原料气进管和h2原料气进管上分别设置有调节阀，并通过tcs原料气进管和h2原料气进管分别送入tcs原料气和h2原料气至还原炉进行化学反应。
[0037]
在炉筒8的底部连通有底部尾气管路，底部尾气管路包括尾气出料环管12，所述尾气出料环管12的一侧通过多个尾气管穿过底盘9后密封连通至炉筒8，另一侧连通有尾气出料管5，通入至还原炉中的h2和tcs进行化学反应之后产生的气体则通过尾气出料管5排放至尾气总管22，即在尾气出料管5的出口连接有尾气总管22，且在尾气总管22上设有第四调流阀18，以通过第四调流阀18调控尾气总管22的尾气流量大小。
[0038]
在炉筒8的顶部连通有顶部尾气管路，且顶部尾气管路的另一端连接有第一支管和第二支管，其中，第一支管通过尾气二次进口管路连通至炉筒8，以实现对炉筒8顶部的尾气进行二次循环利用，在实际应用时，在第一支管上设有增压泵13，经炉筒8顶部所排出的尾气由增压泵13增压后进入至尾气二次进口管路，由尾气二次进口管路送入至炉筒8进行二次循环反应；第二支管则连接至尾气出料管5上，通过第二支管和尾气出料管5所排放的尾气以满足尾气总管22的尾气流量需求。
[0039]
对于顶部尾气管路的设计如下：
[0040]
顶部尾气管路包括：连接于炉筒8顶部的夹套管7和顶部尾气管6，所述夹套管7的内管与炉筒8的内筒连通，夹套管7的内管采用耐高温材料支撑，如800h等，且夹套管7的外管与炉筒8的夹套连通；所述顶部尾气管6与夹套管7的内管连通。在实际应用时，夹套管7的外管上设有炉筒出水管(即：夹套管冷却水出口2)，炉筒出水管连接有出水管，以对炉筒8的夹套中所循环的冷却水进行实时排放。将夹套管7的内管与炉筒8的内筒之间通过膨胀节连通，以确保在炉筒8的顶部应升温膨胀后，夹套管7与炉筒8之间仍然具有良好的密封性。基于此，所述尾气二次进口管路包括尾气二次环管10，所述尾气二次环管10的一侧通过多个尾气二次管穿过底盘9后密封连通至炉筒8，另一侧连通有尾气二次进料管11，且尾气二次进料管11与顶部尾气管6连通。
[0041]
在上述管路连通之后，在还原炉的运行中，还需要对还原炉的顶部温度以及尾气出料管5的尾气流量进行有效控制，设计如下：
[0042]
在顶部尾气管6和第二支管上分别设有第一调流阀16和第二调流阀17，且第二调流阀17应当设为单向阀，且在顶部尾气管6上位于第一调流阀16的出口侧连接有冷却水管，在冷却水管上设有第三调流阀14；
[0043]
其中，通过第一调流阀16和第二调流阀17的开度大小共同调节底部尾气管路的尾气流量；通过第三调流阀14调控冷却水管中的冷却水流量，以对顶部尾气管6内的尾气温度进行调控。
[0044]
对于该还原炉的冷却水管路，其包括冷却水进水管20和冷却水出水管21，所述冷却水进水管20的一支路连通至炉筒8夹套冷却水入口，另一支路则连通至顶部尾气管6；所述冷却水出水管21的一支路连通至夹套管7的外管上的夹套管冷却水出口2(用于炉筒8的夹套冷却水循环)，另一支路连通至靠近炉筒8顶部的顶部尾气管6上的顶部尾气管冷却水出口1(用于二次尾气的冷却水循环)。
[0045]
对于现有的还原炉其在仅有底部尾气口时，顶部气体流动性较差，易产生爆米花现象，而应用本实施例所提供的还原炉，其在顶部开设尾气口，则可以加快顶部气体的流动，使得气体流动更加均匀；另外，由于经过加热后的高温气体会向高处聚集，可以理解炉筒8顶部温度最高，因此，在顶部设置尾气口之后，尾气口则可以将聚集的高温气体带走，从而降低顶部温度；同时，由于顶部出气后导致还原炉反应速率下降，因此，顶部尾气在经过
加压后将尾气送入尾气进料口后实现二次反应，保证反应收率和产品质量兼顾。
[0046]
基于上述所提供的改进型多晶硅还原炉，在实际应用时，如图2所示，该改进型多晶硅还原炉的工作原理为：
[0047]
由于在顶部尾气管路上位于第一调流阀16的进口侧设有温度计15，通过温度计15所监测的温度大小控制第三调流阀14的开度大小，在实际应用时，可通过手动或自动控制的方式调控第三调流阀14。其控制逻辑为：若大于预设温度，则加大第三调流阀14的开度，此时，喷入顶部尾气管6的冷却水流量变大，则加速顶部尾气的降温；若小于预设温度，则减小第三调流阀14的开度，此时，喷入顶部尾气管6的冷却水流量变小，则减缓对顶部尾气的降温。
[0048]
由于在底部尾气管路上设有流量计19，通过流量计19所监测的流量大小控制第一调流阀16和第二调流阀17的开度大小，在实际应用时，第一调流阀16和第二调流阀17的调控可选手动或自动的方式。其控制逻辑为：在初始状态时，第一调流阀16和第二调流阀17均为关闭状态，此时，将tcs原料气和h2原料气通入至还原炉中进行化学反应，随着还原炉的运行，则打开第一调流阀16以降低还原炉的顶部温度，并根据流量计19所监测的流量大小，若大于预设流量，则减小第一调流阀16的开度；若小于预设流量，则加大第一调流阀16的开度；若满足预设流量但不满足尾气总管22的尾气出料需求，则联动调节第一调流阀16和第二调流阀17的开度，此调节过程为第一调流阀16和第二调流阀17的联动调节(此处的联动调节是指：加大第一调流阀16的开度，再根据流量计19的监测值逐渐加大第二调流阀17的开度，直至流量计19的流量值达到预设条件且尾气总管22的流量也满足要求)，则相当于顶部尾气管6内的尾气流量变大，一部分二次进入还原炉以满足还原炉的尾气出料管5流量，其余部分则由第二支管直接进入尾气总管22，以满足尾气总管22的需求，同时，尾气出料管5的尾气压力是大于第二支管的尾气压力的，因此，不会出现尾气倒流的现象。
[0049]
通过采用上述，该多晶硅还原炉实现了还原炉上部和下部同时出气，并通过顶部尾气管6上的温度计15监测顶部尾气温度，并通过尾气出料管5上的流量计19对顶部温度进行控制，且尾气可以再次进入还原炉实现二次循环反应，能够同时兼顾电耗硅耗及炉内温场流场等情况，也能够保证还原炉内部气体分布均匀，有效降低还原炉顶部温度，有助于提高多晶硅还原炉的生产质量。
[0050]
本实用新型不局限于上述可选实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本实用新型权利要求界定范围内的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。