CN101386412A - 生产太阳能级硅的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

生产太阳能级硅的系统和方法，其中包含硅石和碳的起始材料被加热形成中间材料。该中间材料包含硅石和碳化硅。所述中间材料反应形成硅。通过加热起始材料以及使中间材料反应所产生的至少一些排放物被收集并用于产生电力。

Description

生产太阳能级硅的系统和方法
技术领域
[0001]本发明总体涉及太阳能级硅的生产，更具体地涉及一种用于在硅生产中回收和利用废能的系统和方法。
背景技术
[0002]对于生产半导体器件和太阳能电池的高纯硅材料有很大需求。硅在太阳能电池中用于将太阳能转换为电能。在太阳能电池中使用的硅具有标明“太阳能级”的品质，该品质具有大于99.999％的纯度。
[0003]大多数硅生产方法涉及二氧化硅或硅石的碳热还原。碳热还原涉及碳和硅的混合物在高温下反应形成单质硅和一氧化碳的过程。由于驱动完成反应的极端温度要求，该过程是高能耗过程。例如，在这种过程中温度可大于1950摄氏度。这相当于大致11-13千瓦时的能量来生产1千克硅。
[0004]因此，需要提供一种可以在太阳能级硅的生产中解决一个或多个前述问题的系统和方法。
发明内容
[0005]根据本文公开的一个示范性实施例，一种方法包括加热包含硅石和碳的起始材料以形成中间材料。所述中间材料包含硅石和碳化硅。所述中间材料反应形成硅。通过加热所述起始材料以及使中间材料反应所产生的至少一些排放物被收集并用于产生电力。
[0006]根据本文公开的另一个示范性实施例，一种系统包括具有第一炉区的炉，所述第一炉区用于产生含有硅石和碳的起始材料。第二炉区用于接收所述起始材料并加热所述起始材料来形成包含硅石和碳化硅的中间材料。第三炉区用于接收所述中间材料并使所述中间材料反应形成硅。一种发电系统连接到所述炉并且用于接收从所述炉排出的氢、一氧化碳或其组合以用于产生电力。
附图说明
[0007]在参考附图阅读以下详细说明时将更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，在附图中，同样的附图标记代表同样的部件，其中：
[0008]图1是图示出根据本文公开的一个示范性实施例的生产硅的方法所涉及的示范性步骤的流程图；
[0009]图2是根据本文公开的一个示范性实施例的用于生产硅的系统的示意图；
[0010]图3是根据本文公开的另一个示范性实施例的用于生产硅的系统的示意图；以及
[0011]图4是根据本文公开的又一个示范性实施例的用于生产硅的系统的示意图。
部件清单
10          生产硅的方法
12          提供起始材料的步骤
14          加热起始材料来形成中间材料的步骤
16          使中间材料反应形成硅的步骤
18          将合成气从炉供应给发电系统以产生电力的步骤
20          将电力供应给炉的热能量源的步骤
22          系统
24          壳体
26          壁
28          腔室
30          内表面
32          第一炉区
34          第二炉区
36          第三炉区
38          第一热能量源
40          第二热能量源
42          第三热能量源
44          硅石进口
46          烃类进口
48          上端
50     气体出口
52     硅出口
54     气体进口
56     下端
58     发电系统
60     压缩机
62     临时存储单元
具体实施方式
[0012]如下文所详述的，本发明的实施例提供一种包括提供起始材料的方法。在一个示例中，在第一炉区内生产该起始材料且该起始材料包含硅石和碳。该起始材料然后在第二炉区中加热形成中间材料。该中间材料包含硅石和碳化硅。该中间材料在第三炉区中反应形成太阳能级硅。通过加热起始材料以及使中间材料反应所产生的至少一些排放物被收集并用于产生电力。在另一个示范性实施例中，还公开了一种与废能回收系统一体形成的生产太阳能级硅的系统。
[0013]硅基太阳能工业的发展在一定程度上受太阳能级硅的成本限制。太阳能级硅的成本归因于用于制造的原料的成本以及工艺过程中涉及的成本。用于硅生产的代表性原料包括硅源和碳源。使用不太昂贵的原料的方法一般需要更昂贵的工艺条件来精炼生成的硅。本发明的实施例解决了这些及其它问题。
[0014]根据本发明的示范性实施例，在生产硅时，使用烃类或碳材料的硅石的碳热还原的结果产生合成气(一氧化碳和氢)，该合成气包括供应到发电系统并转换为电力的可燃燃料。在一个示范性实施例中，该发电系统包括内燃机驱动的发电机，在下文称作“ICE发电机”。电力被供给到用于生产硅的炉。废能的回收使得所述炉在生产硅的过程中的总能量用量降低。
[0015]在美国专利申请号11/497876中公开了一种工艺，其中，从甲烷或另一种烃获得碳热还原过程中的碳材料，在此以参见的方式引入该专利申请。初始烃裂化过程的主要副产物是氢。
[0016]当与来自碳热反应的一氧化碳混合时，生成的排气流可包括大约70％的一氧化碳和30％的氢(按摩尔计)。被称为合成气体(合成气)的该流出物在成分上类似于煤气化过程中产生的气体。该流出物是可燃燃料，其能量可被回收并返回到工艺过程，从而降低能量需求。
[0017]现在参考附图，图1是图示出在生产硅的方法中涉及的示范性步骤的流程图10。如步骤12所示，该方法包括在炉内提供包含硅石和碳的起始材料。在一个实施例中，该起始材料的硅石包含具有许多颗粒的硅砂。如本文使用的，术语“颗粒”指的是起始材料的个体单元，与例如固体材料连续体(例如较大块体)形成对比；本文使用的术语包括从具有微米尺度(例如325目粉末)大小的极小粉末微粒直到具有厘米尺度大小的比较大的材料球团范围内的单元。在另一个示范性实施例中，所述起始材料的硅石包含硅胶，该硅胶是硅石的粒状多孔形式。硅胶可以更具体地描述为胶体硅石的球形颗粒的粘结的刚性连续三维网络。
[0018]在某些示范性实施例中，提供起始材料的步骤包括使硅石材料的至少一部分上的烃类材料分解。烃类材料的分解也称作“烃类材料的裂解”，其中，烃类材料分解以在硅石材料的至少一部分上形成包含碳的涂层。烃类材料可包含气体或液体。一种这样的分解反应的示例可由以下化学方程式表示：
CH4→C+2H2
在前述示例中，甲烷用作烃类材料并且分解形成碳，所述碳沉积在硅石材料的至少一部分上，伴随有氢气的释放。当包含碳的涂层沉积在包含硅石的颗粒上时，可用于与硅石进一步反应的碳的表面积显著大于不使用该涂层的传统工艺中可用的碳的表面积，这可导致太阳能级硅的较好的产量。
[0019]在某些示范性实施例中，分解烃类材料包括将该烃类材料加热至大于600摄氏度的温度。在一些实施例中，烃类材料包括烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃或其任何组合。烃类材料的示例包括但不限于：天然气、甲烷、丁烷、丙烷、乙炔或其任何组合。在步骤14，起始材料被加热形成包含硅石和碳化硅的中间材料。在一些实施例中，该中间材料包含选自合成氧化硅、碳化硅、碳氧化硅或其任何组合的至少一种材料。在某些示范性实施例中，该起始材料被加热至大于1600摄氏度的温度。包括形成中间材料的反应由以下方程表示：
3SiO2+6C→SiO2+2SiC+4CO
[0020]在前述反应中，硅石与碳反应形成碳化硅和硅石，除此以外还伴随有一氧化碳气体的释放。在某些实施例中，一氧化碳的分压保持低于50千帕。在一些实施例中，炉内的总压力可大于或等于100千帕。在步骤16，中间材料例如被加热至大于2000摄氏度的温度以反应形成硅。硅石与碳化硅反应形成硅。包括形成太阳能级硅的反应由以下方程表示：
SiO2+2SiC→3Si+2CO
[0021]在图示的实施例中，通过加热起始材料以及使中间材料反应所产生的至少一些排放物被收集。在步骤18，所述排放物(即合成气(包含氢、一氧化碳))从炉供应给发电系统(例如ICE发电机)以产生电力。在一些实施例中，氢和一氧化碳同时从所述炉供应给发电系统。在某些其它示范性实施例中，氢和一氧化碳分别从所述炉供应给发电系统。而且，在某些实施例中，氢和一氧化碳在供应给发电系统之前被压缩并临时存储在存储单元中。在步骤20，电力被供应给所述炉。结果，来自所述炉的废能的回收促使所述炉在生产硅的过程中的总能量用量降低。电力可从外部电网提供给所述炉以补充电力需求。在某些情况中，电力可从发电系统提供给电网。在一些实施例中，合成气和/或燃烧产物气体的至少一部分用于预热至少一些起始材料(在图1中未示出)，以便进一步利用废能。例如，来自发电的废气可穿过热交换器47来预热硅石和/或烃类气体。
[0022]参考图2，图示出根据本发明的一个示范性实施例的用于生产太阳能级硅的系统22。系统22是一种炉，该炉用来在其一端接收包含硅石和含碳材料的起始材料，并在其相对端生成包含硅的产物材料。在图示的实施例中，系统22包括多区炉，在该多区炉中，每个炉区的温度是可独立控制的。系统22包括壳体24，壳体24具有限定腔室28的壁26。在一些实施例中，可沿壁26的内表面30提供可拆衬套(未示出)以避免污染而且防止所述壁26的内表面上的材料沉积。
[0023]在图示的实施例中，系统22的壳体24是圆筒形的。壳体24具有竖直取向的构造。在其它实施例中，还可以想到壳体的其它形状和取向。例如，所述壳体相对于水平面可以是水平或倾斜的。系统22的腔室28根据炉区中发生的反应进一步分成第一炉区32(涂敷炉区)、第二炉区34(加热炉区)和第三炉区36(反应炉区)。第一、第二和第三炉区32、34、36通常(但不必)是一体的。如本文使用的，“一体”的意思是区域32、34和36一起形成整体单元。第一、第二和第三热能量源38、40、42(例如加热器)分别设置在区域32、34、36的附近并且构造成能够将区域32、34、36加热至不同温度。
[0024]硅石进口44和烃类进口46通过壳体24的上端48延伸进入腔室28中并且构造成将硅石和烃类材料引导到腔室28中。烃类材料进入腔室28的流率可调整以便在起始材料上大范围的均匀形成碳涂层。提供了气体出口50，该气体出口50延伸穿过壳体24的上端48并与腔室28连通。硅出口52和延伸穿过壳体24的下端56的气体出口54通过第三炉区36与腔室28连通。
[0025]硅石进口44构造成将硅石材料引导进入腔室28中.第一热能量源38被启动以使第一炉区32处的温度提升到预定水平。在某些示范性实施例中，第一炉区温度大于600摄氏度。烃类材料被分解以在硅石材料的至少一部分上形成涂层，同时伴随有氢气的释放。第二炉区34接收包含硅石和碳的起始材料。在第二炉区34通过启动热能量源40使起始材料的温度增加。在一些实施例中，第二炉区的温度大于1600摄氏度。硅石和碳在第二炉区34中反应形成包含硅石和碳化硅的中间材料，同时伴随一氧化碳气体的释放。第三炉区36接收该中间材料。通过启动第三热能量源42使第三炉区36处的温度增加。在一些实施例中，第三炉区的温度大于2000摄氏度。硅石与碳化硅反应形成太阳能级硅，同时伴随一氧化碳的释放。通过硅出口52提出硅。在此应当注意，根据应用要求，进口44、46和54以及出口50、52的位置可以改变.
[0026]在图示的实施例中，通过提供起始材料、加热起始材料以及使中间材料反应所产生的排放物(例如氢和一氧化碳)同时从炉供应给发电系统58。发电系统58具有燃烧室或燃烧器(未示出)，在该燃烧室或燃烧器中，合成气(包含氢和一氧化碳)与高压空气结合并燃烧。由此产生的高温废气经由动力涡轮(未示出)膨胀以产生电力。所产生的电力供应给第一、第二和第三热能量源38、40和42中的一个或多个。对来自炉的废能的回收降低了系统在生产硅期间的总能量用量。硅的碳热还原是高耗能过程，通常需要11-13千瓦时的能量来生产1千克的硅。通过从废气回收废能，系统22的总能量用量显著减少。另外，温室气体排放减少。
[0027]参考图3，图示出根据本发明的另一个示范性实施例的用于生产太阳能级硅的系统22。在图示的实施例中，系统22包括多区炉，在该多区炉中，每个炉区的温度是可独立控制的.系统22根据炉区中发生的反应进一步分成第一炉区32、第二炉区34和第三炉区36。在图示的实施例中，第一、第二和第三炉区32、34、36不是一体的，即，分别提供区域32、34、36。换句话说，区域32、34、36作为分开的单元来提供。在此应当注意，可以想到任何数量的整体式或分离式炉区的组合。图示的区域32、34、36具有竖直取向。第一、第二和第三热能量源38、40、42分别设置在区域32、34、36的附近并且构造成将区域32、34、36加热至不同温度。在炉中通过加热起始材料以及使中间材料反应所产生的包含氢和一氧化碳的合成气经由压缩机60和至少一个临时存储单元62供应给发电系统58。在图示的实施例中，氢和一氧化碳分别从分离的区域32、34和36供应给压缩机60，在压缩机60中，废气被压缩并随后临时存储在临时存储单元62中。在另一实施例中，分开的存储单元可用于存储氢和一氧化碳。所述废气然后经由发电系统58来燃烧并膨胀以产生电力。在一些实施例中，只有氢供应给发电系统。在一些其它实施例中，氢和一氧化碳的组合供应给发电系统58。然后电力被供应给热能量源38、40和42中的一个或多个。
[0028]参考图4，图示出根据本发明的另一个示范性实施例的用于生产太阳能级硅的系统22。类似于前述实施例，图示的实施例具有进一步分成第一炉区32、第二炉区34和第三炉区36的系统22。第一、第二和第三炉区32、34、36互相分离。图示的区域32、34、36具有水平取向。在一些实施例中，所述取向可相对于水平面稍微倾斜，因此重力辅助材料运动经过所述炉区。在一些实施例中，所述区域可包括水平或近似水平和竖直取向的区域的组合。区域取向的所有这样的变换和组合是可以想到的。在某些其它示范性实施例中，区域32、34、36可包括旋转式炉区。在炉中通过加热起始材料以及使中间材料反应所产生的包含氢和一氧化碳的合成气经由压缩机60和临时存储单元62供应给发电系统58以产生电力。然后，电力供应给热能量源38、40和42。在图示于图3和4的实施例中，可以经由连接管进行区域32、34和36之间的材料传递。
[0029]虽然在本文仅仅图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可以想到很多改进和改变。因此，应当理解，所附权利要求用来涵盖落入本发明的本质精神内的所有这样的改进和改变。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
加热包含硅石的材料和烃类材料以形成包含硅石和碳的起始材料；
使所述包含硅石和碳的起始材料反应形成包含硅石和碳化硅的中间材料；
使所述中间材料反应形成硅；
收集通过形成所述起始材料以及使所述起始材料或所述中间材料反应所产生的至少一些排放物；以及
使用所收集的排放物来产生电力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电炉(32、34、36)中发生加热所述起始材料、使所述起始材料反应和使所述中间材料反应中的至少一种，并且还包括将所产生的电力供给所述电炉(32、34、36)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述中间材料反应包括使硅石与碳化硅反应形成硅。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所收集的排放物的至少一部分和/或其燃烧气体用于在反应形成硅之前预热所述起始材料的至少一部分。
5.一种系统(22)，包括：
炉，包括：
第一炉区(32)，用于产生包含硅石和碳的起始材料；
第二炉区(34)，用于接收所述起始材料并使所述起始材料反应形成包含硅石和碳化硅的中间材料；
第三炉区(36)，用于接收所述中间材料并使所述中间材料反应形成硅；以及
发电系统(58)，连接到所述炉并且用于接收从所述炉排出到所述发电系统(58)的氢、一氧化碳或其组合以用于产生电力。
6.根据权利要求5所述的系统(22)，其特征在于，所述第一、第二和第三炉区(32、34、36)是一体的。
7.根据权利要求5所述的系统(22)，其特征在于，所述第一、第二和第三炉区(32、34、36)是分开提供的。
8.根据权利要求5所述的系统(22)，其特征在于，所述第一、第二和第三炉区(32、34、36)沿竖直方向、水平方向或其组合来取向。
9.根据权利要求5所述的系统(22)，其特征在于，还包括压缩机(60)，用于在从所述炉排出的氢、一氧化碳或其组合供应给所述发电系统(58)之前压缩所述氢、一氧化碳或其组合。
10.根据权利要求9所述的系统(22)，其特征在于，还包括至少一个存储单元(62)，用于在压缩后的氢、一氧化碳或其组合供应给所述发电系统(58)之前临时存储所述压缩后的氢、一氧化碳或其组合。
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