气体进口分布器及在于多晶硅还原炉上的应用

摘要

本发明涉及气体进口分布器及在于多晶硅还原炉上的应用。按照分型面原理，首先将一级进气管一分为二，形成两个二级进气管；每个二级进气管进一步一分为二，形成四个三级进气管；以此类推，最终出现十六个结构对称、等价的五级进气管。将各个五级进气管分别连接到还原炉底盘上相应位置处的喷头上，向还原炉内喷射输入气体原料最后一级各个进气管出口的圆心分布在直径不等的两个同心圆周上，同一半径上的两个进气管是由同一个上级进气管分叉形成的。本发明开发的新型气体进口分布器可以保证在气相双组分非稳态进料状况下，多晶硅还原炉内宏观尺度和微观尺度上流场分布均匀，对于多晶硅生产过程中的节能降耗具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及可以在单气相双组分非稳态进料状态下保证气相优良分布的气体进口分布器，及在多晶硅还原炉内的应用。

背景技术

目前，国内外应用比较广泛的气体分布器包括气体分布器有多孔直管式、直管挡板式、双列叶片式、切向环流式等。但是，一般来说，由于气体从不同的开孔流出的速率不同，管式分布器很难达到均匀分布气体的目的。同样，虽然直管挡板式分布器在气体出口上方设置了一块挡板，使得气体分布均匀程度有所改善，但还是无法令人满意。而对于其他气体分布器，在多组分气体非稳态进料的情况下，一般均存在分布效果不佳，操作稳定性差等缺陷。针对上述情况，本文开发了一种新型的气体分布器，可以明显改善传统气体分布器存在的不足，尤其适用于多晶硅还原炉进口气体的分布。现在，生产多晶硅的主要工艺技术是改良西门子法。该工艺技术的核心步骤——三氯氢硅的还原反应，是在多晶硅还原炉内进行的：高纯的三氯氢硅和氢气按比例混合后通入多晶硅还原炉，在一定的温度和压力下，在通电高温硅芯上进行沉积反应生成多晶硅。其中，作为反应物的三氯氢硅和氢气的混合气体首先经过进口气体分布器分配，然后经还原炉底盘上不同位置的多个喷头喷射进入多晶硅还原炉内发生反应。各个喷头间进料流量的均布对于还原炉内沉积反应的反应速率和转化率具有重要意义。然而，目前工业上采用的多晶硅还原炉气体进口分布器基本为环管开孔式分布器，如图1、图2所示：气体进料首先通过传统气体分布器的进气主管6，然后分别流入外环管7和内环管8，并经内、外环管上开设的小孔进入传统气体分布器的出口管9，最后喷射进入多晶硅还原炉发生反应。生产实践表明，这种传统的气体分布器不能有效的实现各个进口喷头进料流量的均配，进而导致多晶硅还原炉内流场分布的严重不均，反应生成的多晶硅棒不规则，增加了多晶硅生产的能耗，并为后续产品的处理带来困难。基于上面的考虑，我们结合多晶硅生产过程中对气体分布的实际需要，开发了一种应用于多晶硅还原炉的气体进口分布器。

发明内容

本发明的目的在于开发一种气体进口分布器，同时应用于多晶硅还原炉的气体进口分布器，如图5所示。该分布器克服了传统分布器分布严重不均的缺陷，可以有效保证还原炉底盘上各个喷头的进料流量在整个工艺过程中分布均匀，优化了还原炉内流场的分布，从而使得沉积反应在通电硅芯上均匀进行并提高了反应的速率和转化率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种气体进口分布器，首先将一级进气管一分为二，形成两个二级进气管；每个二级进气管进一步一分为二，形成四个三级进气管；以此类推，最终出现十六个结构对称、流体力学性能等价的五级进气管。

上述气体分布器中，上一级进气管分叉形成的两个次级进气管中心轴线之间的夹角为可30°～180°；

上述气体分布器中，以两个从同一进气管分裂出来的次级进气管中心轴线的角平分线和上一级进气管的中心轴线决定的平面为基准，两个次级进气管成镜面对称；

本发明的气体进口分布器应用于多晶硅还原炉，将各个五级进气管分别连接到还原炉底盘上相应位置处的喷头上，向还原炉内喷射输入气体原料最后一级各个进气管出口的圆心分布在直径不等的两个同心圆周上，每个圆周上分别有八个出口，且各出口间距相等；以还原炉的圆形底盘为基准，同一半径上的两个进气管是由同一个上级进气管分叉形成的。

本发明的优点在于：

考虑到多晶硅生产过程中进料状态的特殊性和气相沉积反应对进料分布的要求，本文依照分型面原理开发的新型气体进料分布器相比于传统的气体分布器，具有下面几个优点。

其一，传统的气体分布器在实现气体进料从各个喷头均匀喷入的工艺要求上存在严重缺陷，导致还原炉内流场分布不均，生成的硅棒不规则。本专利开发的气体分布器保证每一级进气管严格对称分叉，从而确保进入还原炉的各个喷头的进料流量均等，以使气相反应物在硅芯上均匀反应沉积，提高了整体的反应速率和转化率。

其二，由于在多晶硅实际生产过程中，随着反应的进行，还原炉内的反应速率降低，进而要求进料量也随之降低。对于传统的气体分布器，进料流量的波动会进一步恶化气体进料的均匀性；而本专利提出的气体分布器能够严格保证在管道分叉的情况下等流量分配，气体分配效果基本不受气体进料流量变化的影响。

其三，本专利开发的气体分布器引导进料混合气体在进气管内分叉变向流动，加强了流动过程的湍动性，从而使得进料的两组分实现进一步充分混合，对于提高沉积反应的反应速率和转化率具有重要意义。

综合以上讨论，本专利开发的新型气体进口分布器可以保证在气相双组分非稳态进料状况下，多晶硅还原炉内宏观尺度和微观尺度上流场分布均匀，对于多晶硅生产过程中的节能降耗具有重要意义。

附图说明

图1：应用于多晶硅还原炉的传统气体进口分布器的俯视图；

图2：应用于多晶硅还原炉的传统气体进口分布器的三维立体结构图；

图3：本发明开发的应用于多晶硅还原炉的新型气体分布器(从一级进气管到四级进气管部分)的俯视图；

图4：本发明开发的应用于多晶硅还原炉的新型气体分布器(从四级进气管到五级进气管部分)的俯视图；

图5：本发明开发的气体分布器的三维立体结构图。

图示说明：1：一级进气管；2：二级进气管；3：三级进气管；4：四级进气管；5：五级进气管；6：传统气体分布器进气主管；7：传统气体分布器外环管；8：传统气体分布器内环管；9：传统气体分布器出口管；a：一级进气管到二级进气管的物流方向；b：二级进气管到三级进气管的物流方向；c：三级进气管到四级进气管的物流方向；d：四级进气管到五级进气管的物流方向。

具体实施方式

以直径为2500mm的多晶硅还原炉为例，其满足本发明技术要求的气体进口分布器的主要技术特征描述如下：

如图3、图4、图5所示，进气主管(一级进气管)1的直径和长度分别为500mm和400mm；进气主管一分为二，形成两个二级进气管2，二级进气管2的直径和长度分别为354mm和350mm，且两个二级进气管2中心轴线的夹角为150°，两中心轴线与一级进气管1中心轴线的夹角为75°，且两二级进气管2相对于其中心轴线的角平分线和上一级进气管的中心轴线决定的平面成严格镜面对称；两个二级进气管2分别一分为二，形成四个三级进气管3，三级进气管3的直径和长度分别为250mm和350mm，且同一个二级进气管2分叉形成的两个三级进气管3中心轴线的夹角为150°，两中心轴线与对应上一级进气管中心轴线的夹角为75°，且此两三级进气管3相对于其中心轴线的角平分线和对应上一级进气管的中心轴线决定的平面成严格镜面对称；四个三级进气管3进一步分别一分为二，形成八个四级进气管4，四级进气管4的直径和长度分别为177mm和350mm，且同一个三级进气管3分叉形成的两个四级进气管4中心轴线的夹角为150°，两中心轴线与对应上一级进气管中心轴线的夹角为75°，且此两四级进气管4相对于其中心轴线的角平分线和对应上一级进气管的中心轴线决定的平面成严格镜面对称；八个四级进气管4进一步分别一分为二，形成十六个五级进气管5，五级进气管5的直径和长度分别为125mm和200mm，且同一个四级进气管4分叉形成的两个五级进气管5中心轴线的夹角为150°，两中心轴线与对应上一级进气管中心轴线的夹角为75°，且此两五级进气管5相对于其中心轴线的角平分线和对应上一级进气管的中心轴线决定的平面成严格镜面对称。

为定量验证上述实施例的实际作用效果，本专利对满足该多晶硅还原炉设计要求的传统气体分布器和新型气体分布器分别进行了模拟计算。

在本实施例中用于优化效果对比的传统气体分布器为目前多晶硅生产工艺中普遍采用的环管开孔式分布器。主进气管6的直径和长度分别为500mm和400mm。外环管7的直径为600mm，外环管轴线到底盘圆心的距离是2000mm；内环管8的直径为1500mm，内环管轴线到底盘圆心的距离是1500mm。每个环管上均布有8个气体出口，气体出口管9的直径和长度分别为125mm和200mm。

模拟计算过程中，对于传统的气体进口分布器，如图2所示，气体进料从主进气管6进入分布器，然后依次流经外环管7和内环管8，最后经分布在环管上的气体出口离开分布器，喷射进入多晶硅还原炉；对于新型的气体进口分布器，如图3、图4所示，气体进料从一级进气管1进入分布器，然后依次沿着a、b、c、d方向，分别流经二级进气管2、三级进气管3、四级进气管4和五级进气管5，最后由五级进气管5上离开分布器，喷射进入多晶硅还原炉。

模拟计算结果表明，当混合进料的流量为30m³/h时，传统气体分布器出口处16个喷头的喷射流量的方差为2.62；新型气体分布器出口处16个喷头的喷射流量的方差为0.06。当混合进料的流量变为20m³/h时，传统气体分布器出口处16个喷头的喷射流量的方差为2.95；新型气体分布器出口处16个喷头的喷射流量的方差为0.07。

综上所述，与传统的气体进口分布器相比，本发明提出的用于多晶硅还原炉的新型气体进口分布器更好的均配了各个分布器出口管的喷射流量，优化了多晶硅的生产工艺。