改良西门子法工艺流程图

太阳能是未来最清洁、平安和可靠的能源，兴旺国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后乂一爆炸式开展的行业。

本文从运用改进西门子工艺生产光伏材料一一多晶硅的过程中四氯化硅转化为三氯氢硅的环节对生产设备内部构件气体分布板进行改进，从而减小气体通过气体分布板时的压降，增加其进入反响器的速度，以实现提高其转化率和转化效率，节约公司本钱, 提高产品竞争力目标。

本篇论文首先介绍了研究课题的背景、研究的意义及口前的研究状况，然后简述了改进西门子生产工艺及氢化工艺在整个工艺流程中的作用，之后介绍了氢化车间的主要设备一一流化床反响器的主要工作原理及其主要内部构件，并为对四氯化硅转化为三氯氢硅的转化率和转化效率影响比拟大的构件一一气体分布板提出三个改进方案，并分别进行计算，通过比照选出最正确方案。

最后将改进后的气体分布板与改进前进行比照，对改进后的经济效益做出评估。

关键词：流化床反响器气体分布板转化率转化效率AbstractSolar energy is the most clean, safe and reliable energy of future, The developed countries are making long-term plan about the development and utilization of solar energy, which are the main contents of energy revolution ・ Pv industry is increasingly becoming international another explosive development industry since IT, microelectronic industry.This paper from the angle of using the Improved Siemens Craft of producting photovoltaic material ------------------------ to improve the internals gas distributing plates of the production equipment which was used for into four hydrogen chloride to silicon link trichloramine. Thus reduce pressure drop of gas through a gas distributing plates increase the speed of gas into reactor ・ In order to achieve the target of improve their efficiency of conversion conversion , to save the company cost and chance the competitiveness of 什ieir products ・This paper firstly introduces the background of the topic , the implications of the research and the current research status , then briefly introduce the Improved Siemens Craft production process and the role that hydrogenated process be in the whole process ・ then introduce the main equipment of hydrogenated workshop , The fluidized bed reactor and its main principle and the main internal components ・ Then puting forward the improvement plan for the gas distribution board, as it has more influence in conversion and efficiency of conversion of four chlorinated silicon into hydrogen silicone. To assess the economic benefit after improving・Keywords: Fluidized Bed Reactor Gas Distributing Plates Conversion Efficiency of conversion第一章绪论 (1)1・1课题研究背景 (1)1・2课题研究的意义 (2)1.3关于气体分布板的研究现状 (2)1・4本课题研究方法介绍 (2)1・5课题的研究内容及根本思路 (3)第二章改进西门子工艺及冷氢化工艺 (4)2.1改进西门子法 (4)2・1・1改进西门子法简介 (4)2.1・2改进西门子法相对于传统西门子法的优点 (5)2.2冷氢化工艺 (6)2・2・1冷氢化工艺简介 (6)2.2. 2冷氢化工艺相比于其他氢化工艺的优缺点 (6)第三章流化床反响器 (7)3.1流化床反响器简介 (7)3.2流化床反响器的分类 (8)3.3典型流化床反响器结构介绍 (8)3.4流化床内部构件一一气体分布板 (9)3.4. 1气体分布板需满足的根本要求 (9)3.4.2气体分布板的作用 (9)3.4.3气体分布板的分类 (9)第四章分布板的设计改进 (11)4.1原气体分布板装置的情况 (11)4.1.1气体分布板的结构 (11)4. 1.2原工艺条件 (13)4. 1. 3原分布板在上述工艺条件下的阻力降计•算 (13)4. 1. 4气体通过分布板时速度的计算 (13)4. 1. 5气速和压力降的计算结果 (13)4. 2根据原工艺条件计算流化速度 (14)4.2.1流化速度的计算 (14)4. 2. 2由于气体流速可能引起的非正常流化现象 (16)4. 3临界开孔率 (16)4.4改进方案设计 (16)第五章改进方案评价及改进后经济效益评估 (22)5.1改进方案评价 (22)5.2改进后经济效益评估 (23)第六章总结 (27)6.1收获 (27)6.2问题 (27)谢辞 (28)参考文献 (29)第一章绪论1 • 1课题研究背景太阳能是未来最清洁、平安和可靠的能源，兴旺国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后乂一爆炸式开展的行业。

改良西门子法生产多晶硅工艺流程1. 氢气制备与净化工序在电解槽内经电解脱盐水制得氢气。

电解制得的氢气经过冷却、分离液体后，进入除氧器，在催化剂的作用下，氢气中的微量氧气与氢气反应生成水而被除去。

除氧后的氢气通过一组吸附干燥器而被干燥。

净化干燥后的氢气送入氢气贮罐，然后送往氯化氢合成、三氯氢硅氢还原、四氯化硅氢化工序。

电解制得的氧气经冷却、分离液体后，送入氧气贮罐。

出氧气贮罐的氧气送去装瓶。

气液分离器排放废吸附剂，氢气脱氧器有废脱氧催化剂排放，干燥器有废吸附剂排放，均由供货商回收再利用。

2. 氯化氢合成工序从氢气制备与净化工序来的氢气和从合成气干法分离工序返回的循环氢气分别进入本工序氢气缓冲罐并在罐内混合。

出氢气缓冲罐的氢气引入氯化氢合成炉底部的燃烧枪。

从液氯汽化工序来的氯气经氯气缓冲罐，也引入氯化氢合成炉的底部的燃烧枪。

氢气与氯气的混合气体在燃烧枪出口被点燃，经燃烧反应生成氯化氢气体。

出合成炉的氯化氢气体流经空气冷却器、水冷却器、深冷却器、雾沫分离器后，被送往三氯氢硅合成工序。

为保证安全，本装置设置有一套主要由两台氯化氢降膜吸收器和两套盐酸循环槽、盐酸循环泵组成的氯化氢气体吸收系统，可用水吸收因装置负荷调整或紧急泄放而排出的氯化氢气体。

该系统保持连续运转，可随时接收并吸收装置排出的氯化氢气体。

为保证安全，本工序设置一套主要由废气处理塔、碱液循环槽、碱液循环泵和碱液循环冷却器组成的含氯废气处理系统。

必要时，氯气缓冲罐及管道内的氯气可以送入废气处理塔内，用氢氧化钠水溶液洗涤除去。

该废气处理系统保持连续运转，以保证可以随时接收并处理含氯气体。

3. 三氯氢硅合成工序原料硅粉经吊运，通过硅粉下料斗而被卸入硅粉接收料斗。

硅粉从接收料斗放入下方的中间料斗，经用热氯化氢气置换料斗内的气体并升压至与下方料斗压力平衡后，硅粉被放入下方的硅粉供应料斗。

供应料斗内的硅粉用安装于料斗底部的星型供料机送入三氯氢硅合成炉进料管。

多晶硅的三大生产工艺之比较1.多晶硅的生产工艺：从西门子法到改良西门子法从西门子法到改良西门子法的演进是一个从开环到闭环的过程。

1955年，德国西门子开发出以氢气（H2）还原高纯度三氯氢硅（SiHCl3），在加热到1100℃左右的硅芯（也称“硅棒”）上沉积多晶硅的生产工艺；1957年，这种多晶硅生产工艺开始应用于工业化生产，被外界称为“西门子法”。

由于西门子法生产多晶硅存在转化率低，副产品排放污染严重（例如四氯化硅SiCl4）的主要问题，升级版的改良西门子法被有针对性地推出。

改良西门子法即在西门子法的基础上增加了尾气回收和四氯化硅氢化工艺，实现了生产过程的闭路循环，既可以避免剧毒副产品直接排放污染环境，又实现了原料的循环利用、大大降低了生产成本（针对单次转化率低）。

因此，改良西门子法又被称为“闭环西门子法”。

改良西门子法一直是多晶硅生产最主要的工艺方法，目前全世界有超过85%的多晶硅是采用改良西门子法生产的。

过去很长一段时间改良西门子法主要用来生产半导体行业电子级多晶硅（纯度在99.9999999%～99.999999999%，即9N～11N的多晶硅）；光伏市场兴起之后，太阳能级多晶硅（对纯度的要求低于电子级）的产量迅速上升并大大超过了电子级多晶硅，改良西门法也成为太阳能级多晶硅最主要的生产方法。

2.改良西门子法生产多晶硅的工艺流程（改良西门子法工艺流程示意图）在TCS还原为多晶硅的过程中，会有大量的剧毒副产品四氯化硅（SiCl4，下文简称STC）生成。

改良西门子法通过尾气回收系统将还原反应的尾气回收、分离后，把回收的STC送到氢化反应环节将其转化为TCS，并与尾气中分离出来的TCS一起送入精馏提纯系统循环利用，尾气中分离出来的氢气被送回还原炉，氯化氢被送回TCS 合成装置，均实现了闭路循环利用。

这是改良西门子法和传统西门子法最大的区别。

CVD还原反应（将高纯度TCS还原为高纯度多晶硅）是改良西门子法多晶硅生产工艺中能耗最高和最关键的一个环节，CVD工艺的改良是多晶硅生产成本下降的一项重要驱动力。

第四章多晶硅的制备及其缺陷和杂质近年来围绕太阳能级硅制备的新工艺、新技术及设备等方面的研究非常的活跃，并出现了许多研究上的新成果和技术上的突破，那么到现在为止研究的比较多且已经产业化或者今后很有可能产业化的廉价太阳能级硅制备新工艺主要是以下几种：4.1 冶金级硅的制备硅是自然界分布最广泛的元素之一，是介于金属和非金属之间的半金属。

在自然界中，硅主要是以氧化硅和硅酸盐的形态存在。

以硅石和碳质还原剂等为原料经碳热还原法生产的含硅97%以上的产品，在我国通称为工业硅或冶金级硅[1, 2]。

在工业硅生产中，是以硅石为原料，在电弧炉中采用碳热还原的方式生产冶金级硅。

冶金级硅的杂质含量一般都比较得高。

冶金级硅一般用于如下3个方面[2]：（1）杂质比较高一点的冶金级硅一般用来生产合金，如硅铁合金、硅铝合金等，这部分约消耗了硅总量的55%以上；（2）杂质比较低一点的冶金级硅一般用于在有机硅生产方面，这一部分将近消耗了硅总量的40%；（3）剩下的5%经过进一步提纯后用来生产光纤、多晶硅、单晶硅等通讯、半导体器件和太阳能电池。

以上三个方面中，其产品附加值各有不同，其中最后的一部分所产生的附加值最大。

1冶金级硅生产工艺目前国内外的工业硅生产，大多是以硅石为原料，碳质原料为还原剂，用电炉进行熔炼。

不同规模的工业硅企业生产的机械化自动化程度相差很大。

大型企业大都采用大容量电炉，原料准备、配料、向炉内加料、电机压放等的机械化自动化程度高、还有都有独立的烟气净化系统。

中小型企业的电炉容量较小，原料准备和配料等过程比较简单，除采用部分破碎筛分机械外，不少过程，如配料，运料和向炉内加料等都是靠手工作业完成。

无论大型企业还是中小型企业，生产的工艺过程都可大体分为原料准备、配料、熔炼、出炉铸锭和产品包装等几个部分，如图4-1所示为工业硅的生产工艺流程图[3]。

工业硅生产过程中一般要做好以下几个方面。

(1)经常观察炉况，及时调整配料比，保持适宜的SiO2与碳的分子比，适宜的物料粒度和混匀程度，可防止过多的SiC生成。

工业硅生产工艺流程简介硅石及炭质还原剂按一定的配比称量自动加到矿热炉内，将炉料加热到2000摄氏度以上，二氧化硅被炭质还原剂还原生成工业硅液体和一氧化碳(CO)气体，CO气体通过料层逸出。

在硅水包底部通入氧气、空气混合气体，以除去钙、铝等其他杂质。

通过电动包车将硅水包运到浇铸间浇铸成硅锭。

硅锭冷却后进行破碎、分级、称量、包装、入库得到成品硅块。

烟气经炉口烟罩进入烟道，经空冷器、风机进入布袋除尘器除尘等环保设施处理后，达到国家规定排放标准排放。

一、原材料及电力（一）硅石：储量丰富，但整体质量不高硅在地壳中资源极为丰富，仅次于氧，占地壳比重超四分之一，主要以二氧化硅或硅酸盐形式存在于岩石、砂砾、尘土之中。

其中，硅石的主要成分是二氧化硅，种类包括石英岩、石英砂岩、天然石英砂、脉石英等。

我国硅石矿资源丰富，保有矿石储量超过40亿吨，但整体质量不高。

石英岩、石英砂岩、天然石英砂岩是国内常见的硅石资源，三者占我国硅石矿资源的99.07%，而高品质的脉石英仅占我国石英矿资源的0.93%。

每生产1吨工业硅大约需要2.7-3吨硅石，大约占比成本10%左右。

国内工业硅使用的硅石矿主产地集中在新疆、云南、湖北、江西、广西等地。

其中湖北、江西硅石质量较高，云南硅石供应充足但质量较普通，新疆硅石供给在品位上则较为复杂。

在考虑经济成本的情况下，硅石品位的高低直接决定了产成品工业硅的品质，具体而言：纯净的硅(Si)是从自然界中的石英矿石(主要成分二氧化硅)中提取出来的,分几步反应:1.二氧化硅和炭粉在高温条件下反应,生成粗硅:SiO2+2C=Si(粗)+2CO2.粗硅和氯气在高温条件下反应生成氯化硅:Si(粗)+2Cl2=SiCl43.氯化硅和氢气在高温条件下反应得到纯净硅:SiCl4+2H2=Si(纯)+4HCl以上是硅的工业制法,在实验室中可以用以下方法制得较纯的硅:1.将细砂粉(SiO2)和镁粉混合加热,制得粗硅:SiO2+2Mg=2MgO+Si(粗)2.这些粗硅中往往含有镁,氧化镁和硅化镁,这些杂质可以用盐酸除去:Mg+2HCl=MgCl2+H2MgO+2HCl=MgCl2+H2OMg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4（二）太阳能级多晶硅新工艺技术（1）改良西门子法—闭环式三氯氢硅氢还原法改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢（或外购氯化氢），氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。

多晶硅生产工艺—西门子法西门子法生产多晶硅发展及展望西门子法生产多晶硅的工艺流程可分为三步：一是SiHCl3制备，二是SiHCl3还原制取多晶硅，最后为尾气的回收利用。

从图1、图2可见，左边的流床反应器即为由冶金级硅和HCl气体反应生成SiHCl3的部分；中间标有“高纯Si”的反应炉为制取多晶硅的部分；右边为尾气回收系统。

其中，SiHCl3氢还原制取多晶硅部分最为重要。

西门子法至今已有50多年的历史，多年前即发展成为生产电子级多晶硅的主流技术，现在生产技术已相当成熟。

这和它具有以下优点是密不可分的[20-22]：(1)SiHCl3比较安全，可以安全地运输，贮存数月仍能保持电子级纯度。

当容器打开后不像SiH4或SiH2Cl2那样会燃烧或发生爆炸，即使燃烧，温度也不高，可以盖上。

(2)西门子法的有用沉积比为1某103，是硅烷法的100倍。

(4)在现有方法中它的沉积速率最高，达8～10μm/min。

(5)一次转换效率为5％～20％，在现有方法中也是最高的。

不足之处在于沉积温度较高，在1100℃左右，所以电耗高，达120kWh/kg。

1.3.1发展历程1第一代多晶硅生产流程[20]适用于100t/a以下的小型硅厂，以HCl气体和冶金级硅为原料，在300℃和0.45MPa下催化生成SiHCl3。

主要副产物为SiCl4和SiH2Cl2，含量分别为5.2％和1.4％，此外还有1.9％较大分子量的氯硅烷。

生成物经沉降器去除固体颗粒，再经冷凝器进行汽液分离。

分离出的H2压缩后返回流床反应器，液态产物SiCl4、SiH2Cl2、较大分子量的氯硅烷和SiHCl3则进入多级分馏塔进行分离，馏出物SiHCl3作为原料再次进入储罐。

SiHCl3在常温下是液体，由H2携带进入钟罩反应器，在1100℃左右的硅芯上沉淀。

反应为：SiHCl3+H2→Si+HCl(1)2SiHCl3→Si+SiCl4+2HCl(2)式(1)是希望发生的反应，但式(2)也同时进行。