一种硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的装置及方法

摘要

本发明公开了一种硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的装置及方法。包括硅烷热分解系统、硅粉过滤收集系统及尾气回收处理系统，所述的硅烷分解系统包括反应气硅烷管线、反应气氢气管线、配比缓冲罐、硅烷管式反应器、尾气冷却器，硅粉过滤收集系统包括氢气反吹过滤器管线、一级硅粉过滤器、二级硅粉过滤器、一级硅粉收集仓、二级硅粉收集仓、真空泵、一级硅粉出口管线、二级硅粉出口管线，尾气回收处理系统包括尾气深冷器、压缩机、吸附塔、气液分离罐、气液分离罐液态硅烷出口管线、气液分离罐氢气出口管线。本发明适用于工业纳米级高纯硅粉的生产，可有效收集粒径为30nm以上的硅粉，尾气全部回收使用，无污染排放，具有投资少、成本低等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的装置及方法。

背景技术

纳米硅粉是一种棕黄色粉末，用途广泛。可作为充电锂电池负极材料，提高锂电池容量和充放电循环次数，还可用在耐火涂层和耐火材料里，同时在陶瓷材料、复合材料、催化材料、光电材料以及生物材料等领域都有巨大的潜在应用前景。

目前常用的纳米硅粉生产工艺有静电喷雾辅助化学沉积（ES-CVD），热丝化学气相沉积（HWCVD），激光诱导化学气相沉积（LICVD）等，但这些方法对设备要求高，能耗大，且难以实现产业化生产。

发明内容

本发明的目的是克服现有纳米级高纯硅粉生产工艺成本高、能耗大以及产业化等不足，提供一种设备简单、操作安全的硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的装置及方法，可以实现闭合循环连续生产，成本低，产能高。

一种硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的装置包括硅烷热分解系统、硅粉过滤收集系统及尾气回收处理系统，所述的硅烷分解系统包括反应气硅烷管线、反应气氢气管线、配比缓冲罐、硅烷管式反应器、尾气冷却器，反应气硅烷管线、反应气氢气管线与配比缓冲罐相连，配比缓冲罐、硅烷管式反应器、尾气冷却器顺次相连，硅粉过滤收集系统包括氢气反吹过滤器管线、一级硅粉过滤器、二级硅粉过滤器、一级硅粉收集仓、二级硅粉收集仓、真空泵、一级硅粉出口管线、二级硅粉出口管线，氢气反吹过滤器管线一端与反应气氢气管线相连，氢气反吹过滤器管线另一端分别与一级硅粉过滤器、二级硅粉过滤器相连，尾气冷却器、一级硅粉过滤器、二级硅粉过滤器顺次相连，一级硅粉过滤器、一级硅粉收集仓、一级硅粉出口管线顺次相连，二级硅粉过滤器、二级硅粉收集仓、二级硅粉出口管线顺次相连，一级硅粉收集仓、二级硅粉收集仓分别与真空泵相连，尾气回收处理系统包括尾气深冷器、压缩机、吸附塔、气液分离罐、气液分离罐液态硅烷出口管线、气液分离罐氢气出口管线，二级硅粉过滤器、尾气深冷器、压缩机、吸附塔、气液分离罐、气液分离罐液态硅烷出口管线顺次相连，气液分离罐通过气液分离罐氢气出口管线与配比缓冲罐相连。

所述装置热分解生产纳米级高纯硅粉的方法包括如下步骤：

1）高纯硅烷与高纯氢气进入配比缓冲罐进行混合配比，得到混合气；

2）混合气进入硅烷管式反应器，在硅烷管式反应器中，硅烷加热分解成粒状硅粉及氢气，硅烷管式反应器的出口得到气粉混合气；

3）反应后的气粉混合气经尾气冷却器冷却后，温度降至100℃以下，进入一级硅粉过滤器，将硅粉滤出，收集在一级硅粉过滤器底部；

4） 吸附在滤膜外部的硅粉使用氢气反吹过滤器管线提供的高纯氢气进行反吹处理；

5） 当一级硅粉过滤器达到指定数量的硅粉后，关闭一级硅粉过滤器，打开二级硅粉过滤器，让尾气冷却器冷却后的气粉混合气进入二级硅粉过滤器继续生产；

6）置换一级硅粉过滤器：用真空泵对一级硅粉收集料仓进行抽真空处理，连通一级硅粉过滤器与一级硅粉收集料仓，将硅粉放入一级硅粉收集料仓，

7）当二级硅粉过滤器达到指定数量的硅粉后，启用置换后的一级硅粉过滤器，并对二级硅粉过滤器进行置换操作,实现一级硅粉过滤器和二级硅粉过滤器切换使用，使反应具有连续性；所述的对二级硅粉过滤器进行置换操作为用真空泵对二级硅粉过滤器进行抽真空处理，连通二级硅粉过滤器与二级硅粉收集料仓，将硅粉放入二级硅粉收集料仓；

8） 经一级硅粉过滤器或二级硅粉过滤器过滤后的尾气进入尾气回收处理系统，经尾气深冷器冷却、压缩机压缩、吸附塔吸附后，在气液分离罐将硅烷与氢气分离，分离所得的氢气通过气液分离罐氢气出口管线补入配比缓冲罐，分离所得的硅烷进行提纯。

所述的高纯硅烷和高纯氢气的纯度大于99.9999%。

所述的混合气中硅烷的摩尔浓度为5%~20%，混合气的压力维持在0.3Mpa，硅烷与氢气配比后进入反应器的流量控制在80-100kg/h。

所述的硅烷的加热分解温度控制在500℃~900℃。进一步所述的硅烷的加热分解温度控制在500℃~600℃。

所述的硅烷管式反应器设有一段恒温热区，能使加热温度恒定在0~1200℃。

所述的尾气冷却器使用循环冷却水冷却，能使反应后的气粉混合气温度降至100℃以下。

所述的氢气反吹过滤器管线深入一级硅粉过滤器和二级硅粉过滤器中心，反向吹扫过滤器外吸附的硅粉。

所述的尾气回收处理系统采用低温液体冷却分离硅烷和氢气，所述的低温液体为液氮。

本发明适用于工业纳米级高纯硅粉的生产，尾气全部回收利用，无污染排放，具有投资少、成本低等优点。

附图说明

图1是硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉装置的结构示意图；

图2是反应温度在880℃生产的硅粉的SEM照片；

图3是反应温度在500℃生产的硅粉的SEM照片；

图4是反应温度在750℃生产的硅粉的SEM照片；

图5是反应温度在600℃生产的硅粉的SEM照片；

图中，应气硅烷管线1、反应气氢气管线2、配比缓冲罐3、硅烷管式反应器4、尾气冷却器5、氢气反吹过滤器管线6、一级硅粉过滤器7、二级硅粉过滤器8、一级硅粉收集仓9、二级硅粉收集仓10、真空泵11、一级硅粉出口管线12、二级硅粉出口管线13、尾气深冷器14、压缩机15、吸附塔16、气液分离罐17、气液分离罐液态硅烷出口管线18、气液分离罐氢气出口管线19。 

具体实施方式

如图1所示，一种硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的装置包括硅烷热分解系统、硅粉过滤收集系统及尾气回收处理系统，所述的硅烷分解系统包括反应气硅烷管线1、反应气氢气管线2、配比缓冲罐3、硅烷管式反应器4、尾气冷却器5，反应气硅烷管线1、反应气氢气管线2与配比缓冲罐3相连，配比缓冲罐3、硅烷管式反应器4、尾气冷却器5顺次相连，硅粉过滤收集系统包括氢气反吹过滤器管线6、一级硅粉过滤器7、二级硅粉过滤器8、一级硅粉收集仓9、二级硅粉收集仓10、真空泵11、一级硅粉出口管线12、二级硅粉出口管线13，氢气反吹过滤器管线6一端与反应气氢气管线2相连，氢气反吹过滤器管线6另一端分别与一级硅粉过滤器7、二级硅粉过滤器8相连，尾气冷却器5、一级硅粉过滤器7、二级硅粉过滤器8顺次相连，一级硅粉过滤器7、一级硅粉收集仓9、一级硅粉出口管线12顺次相连，二级硅粉过滤器8、二级硅粉收集仓10、二级硅粉出口管线13顺次相连，一级硅粉收集仓9、二级硅粉收集仓10分别与真空泵11相连，尾气回收处理系统包括尾气深冷器14、压缩机15、吸附塔16、气液分离罐17、气液分离罐液态硅烷出口管线18、气液分离罐氢气出口管线19，二级硅粉过滤器8、尾气深冷器14、压缩机15、吸附塔16、气液分离罐17、气液分离罐液态硅烷出口管线18顺次相连，气液分离罐17通过气液分离罐氢气出口管线19与配比缓冲罐3相连。

所述的硅烷管式反应器4有一段恒温热区，能使加热温度恒定在0~1200℃之间任一温度。

所述的尾气冷却器5使用循环冷却水冷却，能使反应后的气粉混合气温度降至100℃以下。

所述的氢气反吹过滤器管线6深入一级硅粉过滤器7和二级硅粉过滤器8中心，反向吹扫过滤器外吸附的硅粉。

所述的尾气回收处理系统采用低温液体冷却分离硅烷和氢气，所述的低温液体为液氮。

一级硅粉收集仓9、二级硅粉收集仓10中储存的硅粉可分别由一级硅粉出口管线12、二级硅粉出口管线13出料。

实施实例1：

把纯度为6N的高纯硅烷500kg与6N的高纯氢气按照摩尔浓度为20%的比例进行均匀混合，并按照混合后的总量100kg/h进入到880℃，压力为0.30Mpa的硅烷管式反应器加热分解，生成的微粒状硅粉与未反应的尾气经过冷却后进入到硅粉过滤器，经过滤后，尾气进入尾气回收处理系统，经过冷却、压缩、吸附后，将硅烷与氢气分离，分离所得的氢气补入配比缓冲罐，分离所得的硅烷重新回到硅烷净化塔进行提纯以备重新利用。生产的硅粉经一级硅粉收集仓和二级硅粉收集仓收集后，得到150nm~350nm的硅粉314kg，硅烷的一次转化率为71.78%，得到的SEM照片如图2。

实施实例2：

把纯度为6N的高纯硅烷500kg与6N的高纯氢气按照摩尔浓度为5%的比例进行均匀混合，并按照混合后的总量80kg/h进入到500℃，压力为0.30Mpa的硅烷管式反应器加热分解，生成的微粒状硅粉与未反应的尾气经过冷却后进入到硅粉过滤器，经过滤后，尾气进入尾气回收处理系统，经过冷却、压缩、吸附后，将硅烷与氢气分离，分离所得的氢气补入配比缓冲罐，分离所得的硅烷重新回到硅烷净化塔进行提纯以备重新利用。生产的硅粉经一级硅粉收集仓和二级硅粉收集仓收集后，得到30nm~90nm的硅粉178kg，硅烷的一次转化率为40.69%，得到的SEM照片如图3。

实施实例3：

把纯度为6N的高纯硅烷500kg与6N的高纯氢气按照摩尔浓度为15%的比例进行均匀混合，并按照混合后的总量80kg/h进入到750℃，压力为0.30Mpa的硅烷管式反应器加热分解，生成的微粒状硅粉与未反应的尾气经过冷却后进入到硅粉过滤器，经过滤后，尾气进入尾气回收处理系统，经过冷却、压缩、吸附后，将硅烷与氢气分离，分离所得的氢气补入配比缓冲罐，分离所得的硅烷重新回到硅烷净化塔进行提纯以备重新利用。生产的硅粉经一级硅粉收集仓和二级硅粉收集仓收集后，得到50nm~250nm的硅粉262kg，硅烷的一次转化率为59.89%，得到的SEM照片如图4。

实施实例4：

把纯度为6N的高纯硅烷500kg与6N的高纯氢气按照摩尔浓度为10%的比例进行均匀混合，并按照混合后的总量90kg/h进入到600℃，压力为0.30Mpa的硅烷管式反应器加热分解，生成的微粒状硅粉与未反应的尾气经过冷却后进入到硅粉过滤器，经过滤后，尾气进入尾气回收处理系统，经过冷却、压缩、吸附后，将硅烷与氢气分离，分离所得的氢气补入配比缓冲罐，分离所得的硅烷重新回到硅烷净化塔进行提纯以备重新利用。生产的硅粉经一级硅粉收集仓和二级硅粉收集仓收集后，得到30nm~120nm的硅粉231kg，硅烷的一次转化率为52.80%，得到的SEM照片如图5。