内循环流化床反应器内还原多晶硅过程的数值模拟研究-杜少华-solarbe文库

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Xi’an Jiaotong University2018 第十四届中国太阳级硅及光伏发电研讨会内循环流化床反应器内还原多晶硅过程的数值模拟研究杜少华，刘立军西安交通大学能源与动力工程学院西安交通大学刘立军教授研究组 2018.11.10 西安 Xi’an Jiaotong University 研究背景模型简介结果分析结论 1 2 3 4 目录 CO N TE N TS Xi’an Jiaotong University 研究背景模型简介结果分析结论 1 2 3 4 目录 CO N TE N TS Xi’an Jiaotong University 4[1] 中国光伏行业协会，中国光伏产业发展技术路线图（ 2016版） 2016-2025 年国内多晶硅生产技术市场占比变化趋势 [1] 1.背景介绍未来高效低成本的流化床法将逐渐成为重要的硅料生产工艺 Xi’an Jiaotong University 5 流化床法目前需要解决几个方面技术问题 [1]  壁面沉积硅烷异相沉积在壁面上造成原料损失及传热效率降低，甚至增加爆炸风险；  产品纯度控制沉积过程各个环节都可能会引入杂质；  硅粉生成形成机理尚有争议，硅粉形成易造成管道阻塞，原料损失；  流态化控制流态化控制不好易导致大气泡及节涌现象产生，降低流态化稳定性并导致大量硅粉生成。 1.背景介绍 [1]江宏富，规模化多晶硅制备的技术进化 [C]//中国太阳级硅及光伏发电研讨会， 2015 Xi’an Jiaotong University 6 目标  在反应区保证硅颗粒具有较高的温度 T650℃ ，且壁面温度较低；  在反应气体到达反应区之前保证反应气体的温度不高于分解温度 T350℃； 1.背景介绍 Xi’an Jiaotong University 7 将加热区和反应区在轴向分开传统流化床反应器加热区反应区加热 34 1.背景介绍 Xi’an Jiaotong University 研究背景模型简介结果分析结论 1 2 3 4 目录 CO N TE N TS Xi’an Jiaotong University 9  进气速度 1.0m/s  进气组分 SiH4H2  反应器温度 923K  初始床高 0.5m  硅烷摩尔分数 0.2  颗粒直径 236m  颗粒密度 2330kg/m3 2.模型介绍 物理模型 [1] [1] 李佩龙 , 王铁峰 . 粒状多晶硅制备的内循环流化床反应器研究 [J]. 化学反应工程与工艺 , 2014, 30128-34. 热壁面冷壁面 H2H2 SiH4  硅烷内循环流化床加热区反应区加热区  原始方案 Xi’an Jiaotong University TFMTwo fluid model with KTGFKinetic theory of granular flow方程气相应力本构方程固相应力本构方程质量守恒方程动量守恒方程 𝚻𝑝 2.模型介绍 数学模型 10 Xi’an Jiaotong University 组分输运模型 11 i i i iY VY J Rt          组分输运方程  化学反应净生成率 ,, 1 N i w i i r r R M R     化学反应速率 , mni r X YR kC C  化学反应速率常数 e xp aEk AT RT 2.模型介绍 Xi’an Jiaotong University 12 化学反应 [1][2] 42 2Si H Si Fine s H 13 5hom 2 10 e xp 2.16 10 / 8.314 kT     均相热解气相反应  异相沉积表面反应 42 s 2Si H Si H 24 85 5 6 4 2.1 5 10 e xp 1.9 2 10 / 8.3 14 1 3.4 10 7.6 10 e xp 3.3 10 / 8.3 14 he te r H Si H Tk P T P          [1] Iya S K, Flagella R N, Dipaolo F S. Heterogeneous decomposition of silane in a fixed bed reactor[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1982, 12971531-1535. [2] Ho P, Coltrin M E, Breiland W G. Laser-Induced Fluorescence Measurements and Kinetic Analysis of Si Atom Formation in a Rotating Disk Chemical Vapor Deposition Reactor[J]. Journal of Physical Chemistry; United States, 1994, 98404010138-10147. 2.模型介绍 Xi’an Jiaotong University 研究背景模型简介结果分析结论 1 2 3 4 目录 CO N TE N TS Xi’an Jiaotong University 14 3.结果分析时均硅烷质量分数分布 原始方案中硅烷在反应器入口处与壁面接触，造成壁面沉积； 改进方案有效隔绝了硅烷与热壁面的接触，避免了壁面沉积问题。热壁面冷壁面 H2H2 SiH4 时均硅烷质量分数分布 0 m 0 . 5 m 1 m 1 . 5 m 2 m 2 . 5 m 3 m 0 . 7 5 0 . 7 0 . 6 5 0 . 6 0 . 5 5 0 . 5 0 . 4 5 0 . 4 0 . 3 5 0 . 3 0 . 2 5 0 . 2 0 . 1 5 0 . 1 0 . 0 5 M e a n S iH 4 m a s s f r a c t io n 原始方案改进方案热壁面热壁面 Xi’an Jiaotong University 3.结果分析 原始方案反应区与加热区重合，颗粒在边壁聚集，造成该处传热传质恶化 改进方案气流和颗粒从加热区通过孔隙流入反应区，固相分布均匀，内循环强烈原始方案改进方案时均气相速度时均气相速度 Mean Species Phase-2 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0.65 M e a n S p e c ie s P h a s e -2 0 .5 5 0 .5 0 .4 5 0 .4 0 .3 5 0 .3 0 .2 5 0 .2 0 .1 5 0 .1 0 .0 5 0 .6 5 Xi’an Jiaotong University 16 原始方案温度场较为均匀，导致硅烷在进口处大量热解造成壁面沉积； 改进方案加热区气流和颗粒能快速加热反应区气体，保证了反应速率。 3.结果分析时均气相温度原始方案改进方案 Y X 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Mean Temperature Phase-1 920 910 900 890 880 870 860 850 840 830 820 810 800 790 780 Y X 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 M e a n Te m p e ra tu re P h a se -1 9 9 0 9 8 0 9 7 0 9 6 0 9 5 0 9 4 0 9 3 0 9 2 0 9 1 0 9 0 0 8 9 0 8 8 0 8 7 0 8 6 0 8 5 0 Xi’an Jiaotong University 研究背景模型简介结果分析结论 1 2 3 4 目录 CO N TE N TS Xi’an Jiaotong University 18 内循环流化床能有效避免硅烷与热壁面的接触内循环流化床加热区颗粒浓度分布较为均匀，避免传热传质恶化内循环流化床加热区的热颗粒能迅速加热反应区内的反应气，保证反应效率 4.结论 Xi’an Jiaotong University 谢谢