田博，黄国强

（天津大学化工学院，天津 300072）

综述与专论

硅烷流化床制备粒状多晶硅的研究进展

田博，黄国强

（天津大学化工学院，天津 300072）

硅烷流化床生产粒状多晶硅的技术具有节能、高效、环境友好等优点，是生产太阳能级多晶硅的首选工艺技术，但国内对于该工艺技术的研究仍处于起步阶段。本文简介了硅烷流化床的基本原理，包括操作原理和反应模型，并讨论了温度、硅烷分压、颗粒尺寸以及流化速度等反应条件对硅烷流化床内流动稳定性和硅粉尘产生的影响。根据发展硅烷流化床所面临的热壁沉积、产生硅粉尘、加热方式的选择、硅晶种的获得、气体分布方式的控制以及产品纯度的控制等技术挑战，分析了不同的流化床设计对这些技术挑战的解决方案，指出了不同的流化床设计的优缺点与工业应用前景。讨论了硅烷流化床的CFD模拟与一般的流态化模拟的区别，并回顾了相关的研究工作。最后指明了对硅烷流化床技术的研究应从优化反应条件、改善反应器设计以及完善多尺度模拟硅烷流化床的模型三个方面着手。

流化床；热解；团聚；粒状多晶硅；硅粉尘；计算流体力学

近年来，随着全球化石能源的逐渐枯竭和降低碳排放的环保要求，世界上许多国家把开发利用可再生的太阳能作为可持续发展的重要战略决策，促进了世界光伏工业的迅猛发展。中国光伏协会发布信息表明2016年世界光伏市场继续保持增长势头，预计全年光伏新增装机容量将达到58GW，其中中国将达到20GW［1］。多晶硅作为生产光伏（即太阳能）电池的主要原材料，其需求量必然随着光伏工业的发展而进一步增加。

目前，生产多晶硅的主要方法有改良西门子法、流化床法、冶金法、VLD法和锌还原法等［2］。中国生产的多晶硅70%左右采用改良西门子法［3］，而改良西门子法存在高能耗、高污染以及不能连续生产等问题。硅烷流化床作为流化床技术的一种，以硅烷气为反应气生产粒状多晶硅，与改良西门子法相比，该工艺能耗低，可将生产多晶硅的单位能耗从40～60kW/（h·kg）降到5～8kW/（h·kg）［4］；该工艺可实现连续化生产，生产效率高；该工艺副产物为H2，绿色环保。因此硅烷流化床法是生产太阳能级多晶硅的首选工艺技术。然而，目前世界上只有REC（Renewable Energy Corporation，挪威可再生能源公司）与MEMC（MEMC Electronic Materials Inc，美国MEMC电子材料有限公司）实现了硅烷流化床生产粒状多晶硅的工业化生产，国内还没有工业化的报导。本文综述了硅烷流化床制备粒状多晶硅的基本原理、硅烷流化床的设计以及硅烷流化床的CFD模拟，以期为国内硅烷流化床的研究与工业化提供支持。

1　硅烷流化床的基本原理

1.1操作原理

硅烷流化床生产粒状多晶硅时，将高纯的多晶硅细颗粒作为生产用的晶种加入流化床反应器内，从反应器底部通入SiH4和H2的混合气，随着气体流率的增大，颗粒床层由固定床转变为流化床，转变时对应的速度即为最小流化速度，记为Umf。在外部加热器的作用下，硅烷在600～800℃的温度下在硅晶种表面发生化学气相沉积（chemical vapor deposition，简称CVD），使硅晶种长成尺寸较大的近球形颗粒，反应方程见式（1）。在操作中采取同步取出大尺寸颗粒产品和加入硅晶种的方法以实现连续化生产。

1.2反应模型

将硅烷流化床放大并工业化的一个重要前提是建立一个合理的硅烷流化床反应模型。为此，科研人员做了大量的硅烷流化床实验研究。

PURNELL等［5］在他们的实验研究中指出硅烷流化床中硅烷存在两种反应方式，即均相热分解和非均相沉积，其中非均相沉积是指烷热分解生成的多晶硅沉积在硅晶种颗粒上，使晶种颗粒逐渐长大,又称为CVD过程，反应方程如式（1）所示；均相热分解是硅烷热分解生成一系列中间产物，反应方程的第一步见式（2）。COLTRIN和BREILAND等［6-7］对均相热分解反应的机理做了进一步研究，提出了硅烷在均相热分解生成硅烯之后进行的均相成核反应方程，见式（3）～式（5）。他们认为硅烷均相热分解成核是生成硅粉尘的主要原因。

硅烷流化床内的流动为气-固流态化，流化床被分为明显的两段：一是气体中夹带少量颗粒的稀相段，另外是由绝大部分颗粒与颗粒间气体组成的密相段，密相段中的固体颗粒呈上下循环运动［8］。硅烷流化床内的质量传递与热量传递主要在两相间发生。LAI等［9］提出了基于两相流动模型的两相反应模型，他们假设非均相沉积发生在密相段而均相热分解以及均相成核发生在稀相段，模型示意图见图1［9］。该模型包含以下9个步骤：①硅烷在硅晶种颗粒表面发生非均相沉积；②硅烷在硅粉尘表面发生非均相沉积；③硅烷在稀相段均相热分解生成硅蒸汽；④硅蒸气均相成核生成硅细粉；⑤硅蒸气在硅粉尘上异相沉积；⑥硅蒸气扩散到密相段中生长中的硅颗粒表面；⑦硅细粉聚团生成颗粒较大的硅粉尘颗粒；⑧硅粉尘可以和较大的生长中的硅颗粒结合，即通过生长中的较大的硅颗粒来清除（scavenge）硅粉尘；⑨颗粒之间的磨损生成硅粉尘。该模型详细分析了硅烷流化床反应器中硅颗粒的生长以及粉尘的产生，有较高的理论价值。HSU等［10］通过在一个内径为15cm的连续硅烷流化床中进行实验证明了颗粒的生长是非均相沉积与大尺寸颗粒对粉尘的清除（scavenge）机制的共同作用，表明两相反应模型有较高的可行性。

图1　硅烷流化床内两相反应模型示意图［9］

1.3反应条件

硅烷流化床的反应条件主要有温度、硅烷分压、颗粒尺寸、流化速度等，众多的科研工作者研究了这些反应条件对硅烷流化床内流动稳定性和粉尘产生的影响，并对反应条件进行了优化，现总结如下。

1.3.1反应温度

当反应温度达到420℃时，硅烷便开始分解，但此时生成的硅难以形成晶体结构；实验证明只有温度达到610℃以上时，生成的多晶硅才有稳定的晶体结构［11］。HOGNESS等［12］与IYA等［13］分别给出了硅烷均相热分解第一步与非均相热分解的反应速率常数阿伦尼乌斯公式，见式（6）与式（7）。从两个公式可以看出当温度升高时，均相热分解反应速率上升较快，因而硅粉产生量增加。HSU等［14］在实验中观测当温度高于800℃时，硅烷流化床产生大量的硅粉尘，不再适合生产多晶硅。FILTVEDT等［15］对比了650℃与700℃两种反应温度条件下形成的颗粒结构，结果表明650℃条件下形成的硅颗粒结构更加致密，原因可能是高温促进气相成核，由于颗粒生长中的清除（scavenge）机制使得颗粒形成多孔结构。因此，硅烷流化床的操作温度为600～800℃，优选650～700℃［14］。

1.3.2硅烷分压

硅烷分压指流化气中硅烷的浓度。在选择硅烷分压时要考虑两个因素：①流化状态；②多晶硅产率。随着进气中硅烷浓度的增加，均相热分解与非均相沉积速率都增大，多晶硅产率提高，但同时会产生大量硅粉尘［15］。CAUSSAT等［16］在一个直径5.3cm的硅烷流化床实验中观测到当进气组成中硅烷摩尔分数超过20%时，反应器内局部出现颗粒团聚，同时反应器内温度分布剧烈波动，局部温度过高。造成上述现象的原因在于通入的硅烷气改变了硅颗粒表面性质，硅烷浓度增大使颗粒表面黏性增大，颗粒间更易发生团聚，造成气固间传热效率降低，床层内温度分布不均匀；又因为硅烷热分解反应为放热反应，硅烷浓度较高的区域反应剧烈，造成局部温度过高。总之，在保证流化床内具有稳定流化状态的同时尽可能地追求更高的多晶硅产率是选择合适的硅烷分压的关键。TEJIRO-EZPELETA等［17］建议将硅烷流化床工业化时，进气中硅烷摩尔分数控制在10%左右。

1.3.3颗粒尺寸

流化床内的硅颗粒尺寸主要对流动性质和硅烷的转化率产生影响。当流化床内颗粒粒径较小时，单位体积的比表面积较大，气-固接触充分，有利于发生化学气相沉积，硅粉尘产生较少；同时，粒径较小的颗粒对应的床层流化速度较小，反应气体停留时间长，硅烷转化率较高。但如果颗粒粒径过小（＜25µm），则流化床内很难达到稳定的流化状态，易产生聚团流态化、沟流等现象［8］。随着颗粒粒径的增大，流化速度增大，硅烷转化率降低，床层整体比表面积的降低使硅粉尘产量增加。同时，随着床层平均粒径的增大，流化床内发生颗粒团聚结块时所对应的硅烷浓度的阈值降低，为保证正常流化状态，必须降低硅烷浓度，因此降低了多晶硅产率［17］。TEJERO-EZPELETA等［17］建议在连续操作的硅烷流化床中采用平均粒径为100µm的硅晶种颗粒，当硅颗粒生长到平均为900µm左右时取出。1.3.4 流化速度

在硅烷流化床内，随着流体流率的增大，颗粒床层由固定床转变为流化床，此时的流体流率称之为最小流化速度，记为Umf；硅烷流化床操作时，通入的气体流量与床层总截面积的比值，称为表观气速，记为U。当U/Umf＜3时，流化床内气体停留时间过长，导致流化床内局部密度过高，易发生颗粒团聚现象；当U/Umf＞8时，流化床内为腾涌流态化，流型不易控制并生成体积较大的气泡，产生大量的硅粉尘［10］。因此，硅烷流化床操作时的表观气速为3＜U/Umf＜8，优选U/Umf=3～5［14］。

总体来看，对反应条件的优化其重点应该放在以下两个方面：①保证硅烷流化床内良好的气固流化状态；②减少硅粉尘的产生。目前实验研究所用的硅烷流化床反应器直径多为5cm左右或更小，其优化得到的反应条件虽然对硅烷流化床的工业化有一定的指导意义，但这些反应条件并不能完全适用于工业化生产中，因此大尺寸硅烷流化床反应器的中试研究仍急需进行。

2　硅烷流化床反应器的技术难题及解决方案

采用硅烷流化床生产粒状多晶硅有诸多的技术难题，如热壁沉积、硅粉尘的产生、加热方式的选择、硅晶种的获得、气体分布方式的控制以及产品纯度的控制等［18］，以下综述了不同的硅烷流化床反应器设计对这些技术难题的解决方案。

2.1减少硅烷流化床内的热壁沉积

硅烷在硅晶种颗粒上进行化学气相沉积的同时也会不可避免地在反应器内壁以及进气喷嘴或气体分布器等内部构件上进行沉积。在内壁上的沉积造成反应器传热效率降低，同时由于沉积的硅与反应器材质膨胀系数的不同容易导致反应器壁的破裂；在进气喷嘴或气体分布器上的沉积则会造成堵塞，影响流化床的正常生产。

KIM等［19-20］提出在反应器内引入腐蚀性气体如氯化氢或四氯化硅等与沉积的硅进行反应，该方法除沉积效果明显，缺点是容易引入杂质并且易对反应器造成腐蚀。

HERTLEIN等［21］在反应器近壁面处设置额外的喷嘴，将含氢气摩尔分数为95%～99.5%，含硅烷气体摩尔分数0.5%～5%的组合气通入反应器中，组合气附着在反应器内壁表面，阻隔反应气体与热壁的接触，有效抑制热壁沉积；KULKARNI等［22］与WEIDHAUS等［23］的设计相似，都是将可热分解的含硅化合物引向反应器的中心部位并远离反应器内壁，防止硅沉积到反应器壁上，不同的是KULKARNI采用一种蜂巢式的气体分布器来通入含硅化合物，而WEIDHAUS采用套管式喷嘴的设计，在套管式喷嘴的中心通入硅化合物与氢气的混合物，在夹套中通入氢气，有效抑制了喷嘴处的硅沉积。这种通过改变气体分布方式来抑制硅沉积的方法优点是方法简单，效果明显；缺点是不容易控制反应器内形成较稳定的流化状态，并且反应气体与多晶硅颗粒混合不均匀，颗粒间的生长速率存在明显差异，导致反应器内颗粒粒度分布宽。

KONIG等［24］在反应器的顶部与底部采用含碳元素过量的碳纤维强化碳化硅材料，而在反应器的其他部分采用含硅元素过量的碳纤维强化碳化硅材料，其中含碳元素过量的碳纤维强化碳化硅材料由三部分组成，碳纤维占体积分数35%～45%，碳化硅占体积分数35%～45%，其余部分为空气，这种复合材料的热导率仅为2～5W/（m·K），而硅元素过量的复合材料热导率高达70W/（m·K），这种设计有效地阻止热量传导到气体分布板上，避免了硅在分布板上的沉积，但经济性不佳。

2.2综合利用硅粉尘

在流化床反应器中，少量的硅烷会均相成核生成粒径5～50µm的硅粉尘［25］，降低了硅的有效沉积效率，部分硅粉尘被反应后的气体带出，对后续的气体分离与检测造成负面影响。除了从反应条件入手减少粉尘的产生外，对硅粉尘的综合利用亦成为关键。

GAUTREAUX等［26］采用两种操作模式，将在高硅烷浓度下产生的硅粉尘转移到低硅烷浓度反应器中，低硅烷浓度条件下发生非均相沉积时将硅粉尘黏结到硅颗粒表面，降低了粉尘的产生，缺点是低硅烷浓度反应器限制了系统的产量。IBRAHIM等［27］与KULKARNI等［28］则是将产生的硅粉尘作为硅晶种继续生产多晶硅。其中，IBRAHIM采用反应器串联的设计，将第一个反应器中产生的硅粉尘通入第二个反应器作为硅晶种；KULKARNI将反应后的气体通入过滤分离装置，将分离出的粉尘重新送入反应器作为硅晶种，这样既综合利用了粉尘，又减少了硅晶种的制备，具有较高的经济效益。但是生成的粉尘数量不能满足晶种的的需求量，需要其他方法生成的晶种的加入才能实现连续化生产。

2.3加热方式的选择

早期的硅烷流化床反应器多采用传统的电阻加热，并且对整个反应器进行加热，无法获得相对低温的反应器壁，反应器内热壁沉积严重。

IYA［29］提出了将流化床反应器在轴向进行分区控制，即分为加热区与反应区，加热区在反应区上部，颗粒从反应器顶部加入后经过加热区加热到反应温度，在反应区与从反应器底部通入的硅烷气反应生产多晶硅。KIM等［30］将反应器的分区控制进行了改进，将反应区放在加热区上部，反应气体从分布器中心的一根进气管直接通到反应区，并在加热区采用微波对硅颗粒直接加热，使加热区的反应器壁保持较低的温度，但靠近微波加热源的硅晶种颗粒会过热，导致颗粒烧结结块，影响反应器的流化。WEIDHAUS等［31］在改进的反应器分区基础上采用与反应器不直接接触的红外加热源对流化床反应器加热，加热效果优于微波加热，但经济性不佳。

中国的王铁峰等［32-33］提出了另一种形式的分区控制，即采用带导流筒流化床反应器，导流筒内为反应区，导流筒与反应器壁间的环隙为颗粒加热区，通过调节加热区与反应区的流化气速实现颗粒在加热区与反应区的循环流动，该设计产生的热壁沉积较少，气固混合均匀，能耗低。

ASIMI公司的LORD［34］在2002年提出了一种新型反应器设计，示意图见图2［18］。该反应器的特点是将反应器分为多段，其中每一段都有加热区和反应区，总体加热区在反应区下部。在每一段反应器上都有气体喷动装置以脉冲形式推动多晶硅颗粒在反应区与加热区往复运动，既实现了对多晶硅颗粒温度的控制，又使颗粒充分混合，气固接触充分。该反应器还将反应气（SiH4）与流化气（H2）分开预热，反应气预热温度要低于分解温度（300～350℃），流化气预热温度高于反应温度（＞800℃），流化气与硅晶种在反应器的最底部的预热区被预热后，流化气将硅晶种带到反应器中，而硅烷气则从反应器侧面的独立的喷嘴进入反应器进行反应，这样反应器内温度分布均匀热效率高。

图2　多段反应器示意图［18］

2.4制备硅晶种

与西门子法相比，硅烷流化床生产粒状多晶硅的一个主要优点是可以实现连续化生产，提高生产效率，因此，得到纯净的硅晶种是连续化生产的关键。目前，硅晶种的来源主要有两种：将粉尘或产品中的较小多晶硅颗粒分离再循环回反应器以及利用反应器内部或外部装置生产硅晶种。本文上述提到的粉尘的综合利用中涉及到将粉尘循环回流化床反应器的装置及方法，不再重复。

BELK［35］设计了一种垂直颗粒分离装置，采用该装置可以将从反应器底部采出的多晶硅颗粒产品根据颗粒尺寸的大小逐级分离，并将较小的颗粒返回反应器。采用反应器内部或外部装置生产硅晶种的方法是将尺寸较大的粒状或块状多晶硅破碎成尺寸较小的颗粒。早期采用锤式粉碎机或滚筒式破碎机对多晶硅颗粒进行破碎，但对硅晶种造成严重的金属污染。BELK［36］设计了一种枪-靶式的硅晶种生产装置，即用夹带在高速气流中的尺寸在300～2000µm的多晶硅颗粒撞击容器内的大块硅靶，使多晶硅颗粒破碎成较小的硅晶种。硅靶材质为多晶硅或单晶硅，生成的晶种尺寸为88～400µm。该方法优点在于有效减少了晶种颗粒的金属污染，但其产率较低。

IYA［37］在1984年提出在反应器底部利用高速喷射的流体对大尺寸的多晶硅颗粒进行研磨，将破碎后的小颗粒利用流化气带回到反应器作硅晶种。LORD等［38］采用该思路设计了一种自生产晶种的反应器，示意图见图3［18］。在反应器的底部是一个球形容器，在容器底部喷入一股由氢气与硅烷组合的高速喷射流，通过控制气体的流速使喷射流将一部分尺寸较大的颗粒破碎，并将小尺寸的颗粒带到上部的锥形区域进行反应。该设计的优点是在一个反应器中就可以实现多晶硅颗粒的连续化生产，设备简单；缺点是生成的硅晶种颗粒的数量与尺寸不容易控制。

图3　自生产晶种反应器示意图［18］

2.5气体分布方式的控制

由于在反应温度下硅颗粒表面的黏性较大，使得反应器内气体分布不易控制，导致反应器内出现颗粒的聚团结块以及颗粒尺寸分布不均的现象。HSU等［39］除了在反应器底部通入反应气外，同时在反应器的侧壁上设置多个进气口将流化气通入反应器中，保证反应器内的颗粒的较好的流动性与气固均匀混合。EGE等［40］所设计的流化床中没有采用气体分布器，而是采用一个或多个喷嘴形成浸没式喷动床，使颗粒在反应器中能够上下间循环流动，颗粒混合均匀，有效避免结块现象，生成的颗粒尺寸也较为均匀，但相对于分布板式反应器，该方法SiH4转化率与沉积效率较低。

另外，由于反应器内气泡的生长，造成气固间传质传热效率降低；部分反应气体在流经气泡相时产生“短路”，硅粉尘的生成量增加；长大的气泡在反应器顶部破裂，引起床层剧烈地上下波动，干扰反应器的正常运行，同时还可能对反应器的结构以及任何直接相连的辅助支撑设备产生破坏。因此，如何有效地限制反应器内的气泡的生长也是硅烷流化床急需解决的问题。陈其国［41］所设计的反应器在加热装置上部或直筒段上部或扩大段顶部设有超声装置，通过超声带动反应器的震动以消除或减小反应器中的气泡。该方法难点在于超声在气相中的衰竭严重，难以实现较好的破碎效果。如果以一种耐高温腐蚀的材料如钛合金等做成探头将超声深入到反应器内部，其消除或减少气泡的效果应该较好。SPANGLER等［42］在反应器中设置多根大致为U形管状阻挡构件，从反应器顶部延伸至反应器腔室中，从而使向上运动的气泡破裂。同时，在U形管中有气体通道，在其中通入被高温加热的氢气，其温度足以将热量传递到所述流化床，避免了加热反应器壁而产生的热壁沉积。另外，由于床层的震动引起的阻挡构件的震动可以使阻挡构件上沉积的硅层在变得太厚之前剥落，不影响连续生产，只是这种方法对阻挡构件的结构和材质有较高要求。

2.6减少产品污染

硅烷流化床生产的粒状多晶硅产品的污染主要来自两个方面：一是颗粒与反应器内金属器壁或金属内部构件的摩擦使颗粒内带入大量金属杂质，影响产品纯度；二是在非均相沉积过程中，副产物氢气会夹带进入硅颗粒中，夹带的氢气会使多晶硅熔融拉单晶的过程产生危险，同时还会影响多晶硅在电子元件方面的应用［43］。

常用的减少产品金属污染的方法是利用无污染的非金属材料隔离多晶硅颗粒与金属的接触，如中国的王铁峰等［44］将石英、碳化硅或氮化硅等材料涂覆在反应器内壁或制成内衬放入反应器中来减少产品的金属污染。该方法虽然有效，但存在因硅与其他材料的膨胀系数不同而导致反应器壁或内衬破裂的现象，实用性欠佳。

OSBORNE等［45］在其2011年的专利中所设计的反应器对上述方法进行了改进。该专利所描述的反应器由外到内分别为反应器金属外壳，内衬和套筒，见图4。内衬的主要作用是支撑套筒形成流化区，并将流化床与辐射加热器、绝热层和反应器外壁隔离，可采用高温合金，如Incoloy合金、Inconel合金和钴合金等材料制造。另外在内衬与反应器金属外壳间充有惰性气体，起保温与防护的作用。套筒用作保护内衬免受流化床中硅颗粒和晶种颗粒的摩擦，并保护硅颗粒免受内衬和容器壁材料的污染，可用石英、碳化硅、钼或钼合金、氮化硅等材料制造。内衬与套筒的顶部均有与反应器顶部相连的膨胀装置，对内衬与套筒受热膨胀起到保护作用，避免了内衬或套筒破裂现象的发生。

对于颗粒中氢夹带的去除，则是将产品颗粒通入到流化床脱氢反应器中进行［46］。原理是用氢气在1020～1200℃的条件下将硅颗粒流化，氢气在这种高温环境下会逐渐从颗粒中扩散出来。

图4　带内衬与套筒的反应器示意图［45］

3　硅烷流化床的CFD模拟

随着数值模拟技术的发展，采用计算流体力学（computational fluid dynamics，简称CFD）方法解决工业化尺度流态化计算的方法逐渐成熟。这种CFD理论计算方法具有高效和低成本的优点，在硅烷流化床反应器设计上可以大幅度节省资源，推动硅烷流化法粒状多晶硅工业化生产的进程。普通的流化床CFD模拟着重考察的是流化床在不同的操作条件下床层压降、膨胀高度、固含率和流场速度的变化以及颗粒和气泡在流化床内的流动特性。硅烷流化床由于其特殊性，在进行CFD模拟时还要考虑床层内的温度场分布、硅烷浓度的分布、硅烷的热分解反应和硅颗粒的生长等因素。

刘思思等［47］应用Fluent软件，以一个直径0.8m、高3.6m的工业级流化床反应器为物理模型，采用欧拉-欧拉两相模型并结合颗粒的流动力学理论考察了在不同的条件下床层的流化形态、温度场分布以及硅烷的浓度分布。其模拟结果发现：床内颗粒-壁面反射系数对于流体的流动存在一定的影响；改变壁面加热区域对床层内温度场分布影响不大；改变入口硅烷浓度分布，对降低壁面处硅烷浓度，减少多晶硅热壁沉积效果显著。张攀等［48］采用欧拉-欧拉两相流模型代码MFIX（multiphase flow with interphase exchanges，相间交流多相流），以HSU等［10］实验中采用的流化床反应器为物理模型，建立了硅烷热分解的均相和异相反应模型，考察了反应器中各主要物质的分布及其对硅沉积速率的影响。其模型预测的硅沉积速率与文献中的实验数据相差较小，模拟流态化多晶硅CVD过程精度较高。

BALAJI等［49］首次提出将CFD模型、CVD反应模型和PBM（population balance module，粒群平衡模型）模型耦合成一种多尺度模型来模拟硅烷流化床中硅颗粒的CVD生长过程。其中，CFD模型通过模拟不同相之间的动量、质量和热量传递来描述反应器内的流体流动特性行；CVD反应模型模拟气相中的均相热分解和多晶硅颗粒上的硅沉积过程；PBM模型模拟颗粒的生长和聚集。该模拟采用REC的一个连续生产的中试级反应器为物理模型，反应器尺寸为高7m，直径0.5m，模拟中也采用连续进料与出料，模拟结果与实验数据和理论计算结果吻合。刘思思等［50］以TEJIRO-EZPELETA等［17］实验中所用的反应器为物理模型，采用CFD模型与PBM模型耦合的方法成功地模拟了硅烷流化床反应器中的硅颗粒生长过程，并验证了大尺寸颗粒对粉尘的清除（scavenge）机制有效地作用于硅颗粒的生长过程［9］。

近年来发展的CPFD（computational particle fluid dynamics，计算颗粒流体动力学）模拟软件Barracuda正越来越广泛地应用于硅烷流化床的模拟中。与传统的CFD模拟软件Fluent相比，该软件对颗粒的处理量更为庞大，可模拟“密相-稀相”混合问题，可以从颗粒层级上模拟多相化学反应问题，其计算速度与结果的可靠性能更好地满足工业设计的要求。PARKER［51］应用Barracuda软件以HSU等［10］的实验数据为基础，分别模拟了筛板硅烷流化床和喷嘴硅烷流化床内硅沉积速率、温度分布以及硅粉尘的产生，成功地验证了实验结果，尤其是对于硅粉尘产生的模拟，是一般CFD模拟软件做不到的。

若要使硅烷流化床的CFD模拟更好地促进硅烷流化床生产粒状多晶硅的工业化，在模拟时必须进行流化床的连续操作模拟，而连续操作模拟的关键是控制硅颗粒产品采出时的粒径大小与采出速率。硅颗粒产品的采出粒径大小与采出速率不仅取决于床层的固含率，还受到硅晶种流率、入口硅烷流率和温度的影响［49］。因此，研究一种更为全面的基于容量控制的控制模型来控制产品颗粒采出的粒径大小和采出速率，保证硅烷流化床连续操作体系中的质量和能量平衡，是硅烷流化床CFD模拟下一步努力的方向。

4　结 语

总体来看，国外对于硅烷流化床制备粒状多晶硅的研究比较充分，其理论研究与工业级流化床的设计都取得了丰富的成果。但国外技术封锁严重，尤其关于工业级流化床的设计多以专利介绍。而国内对于该工艺的研究起步较晚，众多的多晶硅生产企业生产技术仍然较为落后，导致其在将来很长的一段时间内都将承受低价压力。因此，中国的多晶硅生产企业应该增强自主研发能力，从优化反应条件、改善反应器设计以及完善多尺度模拟硅烷流化床的模型三个方面着手。另外，研究适用于工业大规模生产的高效加热装置以及先进的检测手段也是促进硅烷流化床工业化的关键。相信随着研究的不断深入，硅烷流化床制备粒状多晶硅的工艺必将给我国的多晶硅行业带来一个崭新的局面。

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Research progress on preparation of granular polysilicon by fluidized-bed silane pyrolysis

TIAN Bo，HUANG Guoqiang
（School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

As energy-efficient，high-performance and environment-friendly method the fluidized-bed silane pyrolysis makes its potential to become the dominating way for production of granular polysilicon，while the domestic research on this process is still in its infancy. The review starts with a brief induction of the basic principle of fluidized-bed silane pyrolysis，including the operating principle and the reaction model，and discusses the effects of temperature，silane concentration，particle size and gas flow rate on stable fluidization and fines formation. Developing the technology of fluidized-bed silane pyrolysis faces many technical challenges，such as fines formation，unwanted depositions on internals，heating and temperature control，seed particles generation，gas distribution and quality. The advantages and disadvantages of solutions of these technical challenges are summarized by analyzing different fluidized-bed reactor designs and the industrial application prospects of these solutions are pointed out. The difference between the CFD simulation of the fluidized-bed silane pyrolysis and the general fluidization is discussed and related researches are reviewed. Finally，the review proposes that the domestic research on fluidized-bed silane pyrolysis should put emphasis on optimizing the reaction conditions，improving fluidized-bed designs and completing the multi-scale model of fluidized-bed silane pyrolysis.

fluidized-bed；fluidization；agglomeration；granular polysilicon；silicon fines；CFD

TQ 127.2

A

1000-6613（2016）11-3392-08

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.002

2016-04-15；修改稿日期：2016-06-14。

田博（1991—），男，硕士研究生，从事硅烷流化床制备粒状多晶硅以及硅烷热分解制备纳米硅粉的工艺研究工作。E-mail tian_bo@tju.edu.cn。联系人：黄国强，博士，副教授，主要从事多晶硅精馏领域的研究、开发与工程设计。E-mail hgq@tju.edu.cn。