一种还原炉气体置换方法、装置以及多晶硅生产系统与流程

本发明具体涉及一种还原炉气体置换方法、装置以及多晶硅生产系统。

背景技术：

1、在多晶硅生产技术领域，随着市场的进一步发展，新增产能的释放，客户对其所需硅料的质量管控标准将会进一步提升。而还原工艺作为多晶硅生产的核心技术之一，还原置换工艺的置换效率对多晶硅产品的质量具有重要影响。在还原炉启炉之前，需要对炉内气体进行置换处理。目前还原置换工艺流程中，为降低置换过程中的氧含量，大多数企业所采用的置换方式大多为充放式和抽真空的方式。

2、对于充放式而言，不仅耗时较长且存在置换盲区。同时为了降低置换过程中氧气含量，常见的方式为不断增加置换次数，虽然能够达到较好的置换效果，但是会增加气体置换的非在线时长，并且置换气体的消耗成本会大幅增长。

3、对于抽真空的置换方式，不仅需要额外增加设备，而且后期设备维护费用较高，由于生产工艺中设备、管线等存在内漏的情况，易发生闪爆风险，给整个生产造成较大的安全隐患。

4、综上，上述的置换方式在气体置换过程中均存在不合理之处，即容易出现置换不彻底、存在安全隐患且置换成本较高的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种还原炉气体置换方法、装置以及多晶硅生产系统，该置换方法能够高效且低成本地对还原炉中的气体进行置换，且能够降低气体置换过程中的安全风险。

2、根据本发明第一方面的实施例，提供一种还原炉气体置换方法，包括：

3、s1、对还原炉进行仿真模拟，得到所述还原炉的气体置换参数，所述气体置换参数包括：第一流体参数和第二流体参数；

4、所述还原炉连接有第一调节阀、第二调节阀和卸压阀门，所述第一调节阀用于控制第一置换气体的进气，所述第一置换气体为保护性气体，所述第二调节阀用于控制第二置换气体的进气，所述第二置换气体为还原性气体，所述卸压阀门用于控制还原炉内尾气的排气；

5、s2、根据所述气体置换参数中第一流体参数，控制第一调节阀和卸压阀门的开启或关闭，向所述还原炉内进行第一置换气体的充压和吹扫，以完成还原炉的第一阶段置换；

6、s3、根据所述气体置换参数中第二流体参数，控制第二调节阀和卸压阀门的开启或关闭，向所述还原炉内进行第二置换气体的吹扫，以完成还原炉的第二阶段置换。

7、优选的，所述步骤s1包括：

8、s11、获取所述还原炉的计算模型；

9、s12、根据所述还原炉的计算模型，对所述还原炉的第一阶段置换进行模拟仿真，得到所述还原炉的第一流体参数，

10、所述第一流体参数包括第一进气流量值、第一炉内置换压力和第一置换时长；

11、s13、根据所述还原炉的计算模型，对所述还原炉的第二阶段置换进行模拟仿真，得到所述还原炉的第二流体参数，

12、所述第二流体参数包括第二进气流量值、第二炉内置换压力和第二置换时长。

13、优选的，所述步骤s12、根据所述还原炉的计算模型，对所述还原炉的第一阶段置换进行模拟仿真，得到所述还原炉的第一流体参数，包括：

14、s121、设定所述计算模型的多组第一求解条件；

15、s122、选取其中一组第一求解条件，作为本次模拟仿真的选定求解条件；

16、s123、根据所述选定求解条件，对所述还原炉的计算模型进行迭代计算，得到所述还原炉的第一模拟结果，本次模拟仿真结束；

17、s124、重复步骤s122-s123，直至所有第一求解条件都作为选定求解条件参与迭代计算后，得到多组第一模拟结果，

18、s125、对多组第一模拟结果进行置换效果分析，得到所述还原炉的第一流体参数。

19、优选的，所述第一求解条件包括第一入口边界条件、第一出口边界条件和第一炉内模拟压力；

20、所述第一模拟结果包括多个第一含量数据，以及每个第一含量数据对应的求解时长，所述第一含量数据为还原炉尾气的氧气含量数据；

21、所述步骤s125、对多组第一模拟结果进行置换效果分析，得到所述还原炉的第一流体参数，具体包括如下步骤：

22、获取所述还原炉的第一置换要求值，

23、根据所述第一置换要求值，分别对多组所述第一模拟结果进行处理，具体包括：

24、判断所述第一模拟结果中是否存在第一含量数据小于或等于所述第一置换要求；

25、若否，则判定所述第一模拟结果不满足置换效果要求，本次处理过程结束，

26、若是，则判定所述第一模拟结果能够满足置换效果要求，并获取所述第一模拟结果中的第一目标值，即为小于或等于所述第一置换要求值的第一含量数据，

27、继续判断所述第一模拟结果中第一目标值的数量，并根据判断结果确定目标求解时长：

28、当所述第一模拟结果中存在一个第一目标值时，所述第一目标值的求解时长即为所述目标求解时长，本次处理过程结束；

29、当所述第一模拟结果中存在一个以上的第一目标值时，其中求解时长最短的第一目标值所对应的求解时长，即为所述目标求解时长，本次处理过程结束；

30、对所有的第一模拟结果执行以上处理步骤，得到所有的目标求解时长，

31、对所有的目标求解时长进行比较，得出其中最短的目标求解时长，根据最短的目标求解时长，得到第一置换时长，

32、将最短的目标求解时长所对应的第一求解条件作为最优置换条件，

33、根据所述最优置换条件中的第一入口边界条件，得到第一进气流量值，

34、根据最优置换条件中的第一炉内模拟压力，得到所述第一炉内置换压力。

35、优选的，所述步骤s13、根据所述还原炉的计算模型，对所述还原炉的第二阶段置换进行模拟仿真，得到所述还原炉的第二流体参数，包括：

36、s131、设定所述计算模型的多组第二求解条件；

37、s132、选取其中一组第二求解条件,作为本次模拟仿真的选定求解条件；

38、s133、根据所述选定求解条件，对所述还原炉的计算模型进行迭代计算，得到所述还原炉的第二模拟结果，本次求解计算过程结束；

39、s134、重复步骤s132-s133，直至所有第二求解条件都作为选定求解条件参与迭代计算后，得到多组第二模拟结果；

40、s135、对多组第二模拟结果进行置换效果分析，得到所述还原炉的第二流体参数。

41、优选的，所述第二求解条件包括第二入口边界条件、第二出口边界条件和第二炉内模拟压力；

42、所述第二模拟结果包括多个第二含量数据，以及每个第二含量数据对应的求解时长，所述第二含量数据为还原炉尾气的第一置换气体的含量数据；

43、所述步骤s135、对多组第二模拟结果进行置换效果分析，得到所述还原炉的第二流体参数，具体包括如下步骤：

44、获取所述还原炉的第二置换要求值，

45、根据所述第二置换要求值，分别对多组所述第二模拟结果进行处理，具体包括：

46、判断所述第二模拟结果中是否存在第二含量数据小于或等于所述第二置换要求值；

47、若否，则判定所述第二模拟结果不满足置换效果要求，本次分析过程结束，

48、若是，则判定所述第二模拟结果能够满足置换效果要求，并获取所述第二模拟结果中的第二目标值，即为小于或等于所述第二置换要求值的第二含量数据；

49、继续判断所述第二模拟结果中第二目标值的数量，并根据判断结果，确定目标求解时长：

50、当所述第二模拟结果中存在一个第二目标值时，所述第二目标值的求解时长即为所述目标求解时长，本次处理过程结束；

51、当所述第二模拟结果中存在一个以上的第二目标值时，其中求解时长最短的第二目标值所对应的求解时长，即为所述目标求解时长，本次处理过程结束；

52、对所有的第二模拟结果执行以上处理步骤，得到所有的目标求解时长，

53、对所有的目标求解时长进行比较，得出其中最短的目标求解时长，根据最短的目标求解时长，得到第二置换时长，

54、将最短的目标求解时长所对应的第二求解条件作为最优置换条件，

55、根据所述最优置换条件中的第二入口边界条件，得到第二进气流量值；

56、根据最优置换条件中的第二炉内模拟压力，得到所述第二炉内置换压力。

57、优选的，所述步骤s2、根据所述气体置换参数中第一流体参数，控制第一调节阀和卸压阀门的开启或关闭，向所述还原炉内进行第一置换气体的充压和吹扫，具体包括：

58、开启第一调节阀，并调节第一调节阀的开度，使得所述还原炉内以第一进气流量值吹入第一置换气体，同时关闭卸压阀门，以对还原炉内进行充压；

59、检测所述还原炉内的实时压力值，

60、根据所述还原炉内的实时压力值，判断所述还原炉内的实时压力是否达到所述第一炉内置换压力；

61、若否，则保持第一调节阀的开度且卸压阀门关闭，继续对还原炉进行充压；

62、若是，则充压过程结束，

63、根据第一进气流量值、第一炉内置换压力和第一置换时长，调节第一调节阀和卸压阀门的开度，向所述还原炉进行吹扫。

64、优选地，所述根据第一进气流量值、第一炉内置换压力和第一置换时长，调节第一调节阀和卸压阀门的开度，向所述还原炉进行吹扫的步骤，还包括：

65、保持第一调节阀的开度，继续使得所述还原炉内以第一进气流量吹入第一置换气体，同时开启卸压阀门排出还原炉内的尾气，并调节卸压阀门的开度，将所述还原炉内的尾气压力控制在所述第一炉内置换压力，从而对还原炉进行吹扫；

66、持续对还原炉内进行吹扫，直至所述吹扫时长达到第一置换时长，关闭第一调节阀和卸压阀门，第一阶段置换过程结束。

67、优选地，所述根据第一进气流量值、第一炉内置换压力和第一置换时长，调节第一调节阀和卸压阀门的开度，向所述还原炉进行吹扫的步骤，还包括：

68、对还原炉进行吹扫操作：保持第一调节阀的开度，使得所述还原炉内以第一进气流量值吹入第一置换气体，同时开启卸压阀门排出还原炉内的尾气，并控制卸压阀门的开度，将所述还原炉内的尾气压力控制在所述第一炉内置换压力；

69、对还原炉进行间歇操作：保持第一调节阀的开度，使得所述还原炉内以第一进气流量值吹入第一置换气体，并且控制卸压阀门关闭，停止排出还原炉内的尾气；

70、交替进行所述还原炉的吹扫操作和间歇操作，直至所述还原炉的吹扫和间歇的总时长达到第一置换时长，关闭第一调节阀和卸压阀门，第一阶段置换过程结束。

71、优选的，所述步骤s2和所述步骤s3之间，还包括步骤s21：对所述还原炉进行气密性检测，

72、所述步骤s21具体包括：

73、获取所述还原炉的气密性检测的预设压力值和标准差值，

74、开启第一调节阀和第二调节阀，并关闭卸压阀门，向所述还原炉内充入第一置换气体和第二置换气体的混合流体，

75、判断所述还原炉内的压力值是否达到预设压力值，若是，则关闭第一调节阀、第二调节阀和卸压阀门，停止充入混合流体，

76、对所述还原炉进行憋压，

77、检测所述还原炉内的实时压力值，并将所述实时压力值与所述预设压力值进行比较，得到所述实时压力值和所述预设压力值之间的计算差值，

78、判断所述计算差值是否小于或等于所述标准差值：

79、若是，则判定所述还原炉气密性检测合格，继续执行步骤s3；

80、若否，则判定所述还原炉气密性检测不合格，对所述还原炉进行修复后，继续执行步骤s3。

81、优选的，所述步骤s3、根据所述气体置换参数中第二流体参数，控制第二调节阀和卸压阀门开启或关闭，向所述还原炉内进行第二置换气体的吹扫，具体包括：

82、开启第二调节阀，并调节第二调节阀的开度，使得所述还原炉内以第二进气流量值吹入第二置换气体，同时开启卸压阀门排出还原炉内的尾气，并控制卸压阀门的开度，将所述还原炉内的尾气压力控制在第二炉内置换压力，从而对所述还原炉进行吹扫；

83、持续对还原炉内进行吹扫，直至所述吹扫时长达到第二置换时长，关闭第二调节阀门和卸压阀门，第二阶段置换过程结束。

84、优选的，所述步骤s3、根据所述气体置换参数中第二流体参数，向所述还原炉内进行第二置换气体的吹扫，具体包括：

85、对还原炉进行吹扫操作：开启第二调节阀，并调节第二调节阀的开度，使得所述还原炉内以第二进气流量值吹入第二置换气体，同时开启卸压阀门排出还原炉内的尾气，并控制卸压阀门的开度，将所述还原炉内的尾气压力控制在所述第二炉内置换压力；

86、对还原炉进行间歇操作：保持第二调节阀的开度，使得所述还原炉内以第二进气流量值吹入第二置换气体，并且关闭卸压阀门，停止排出还原炉内的尾气；

87、交替进行所述还原炉的吹扫操作和间歇操作，直至所述还原炉的吹扫和间歇的总时长达到第二置换时长，关闭第二调节阀和卸压阀门，第二阶段置换过程结束。

88、根据本发明第二方面的实施例，提供一种还原炉气体置换装置，包括；分析模块、第一处理设备和第二处理设备。所述分析模块，用于对还原炉进行仿真模拟，得到所述还原炉的气体置换参数，所述气体置换参数包括：第一流体参数和第二流体参数；所述第一处理设备与所述分析模块电连接，用于根据所述气体置换参数中第一流体参数，控制第一调节阀和卸压阀门的开启或关闭，向所述还原炉内进行第一置换气体的充压和吹扫，所述第一置换气体为保护性气体，以完成还原炉的第一阶段置换；所述第二处理设备与所述分析模块电连接，用于根据所述气体置换参数中第二流体参数，控制第二调节阀和卸压阀门的开启或关闭，向所述还原炉内进行第二置换气体的吹扫，所述第二置换气体为还原性气体，以完成还原炉的第二阶段置换。

89、优选的，所述分析模块包括获取单元、第一计算单元和第二计算单元；所述获取模块用于获取所述还原炉的计算模型；所述第一计算单元与所述获取模块电连接，用于根据所述还原炉的计算模型，对所述还原炉的第一阶段置换进行模拟仿真，得到所述还原炉的第一流体参数，所述第一流体参数包括第一进气流量值、第一炉内置换压力和第一置换时长；所述第二计算单元与所述获取单元电连接，用于根据所述还原炉的计算模型，对所述还原炉的第二阶段置换进行模拟仿真，得到所述还原炉的第二流体参数，所述第二流体参数包括第二进气流量值、第二炉内置换压力和第二置换时长。

90、根据本发明第三方面的实施例，提供一种多晶硅生产系统，包括还原炉、充压阀门、卸压阀门、进气管道、排气管道、物料管道以及上述的还原炉气体置换装置。

91、所述进气管道包括第一进气管和第二进气管，所述第一进气管的一端与还原炉的炉腔连通，另一端与第一置换气体的气源连通，所述第二进气管与还原炉的炉腔连通，另一端与第二置换气体的气源连通。所述充压阀门包括第一调节阀和第二调节阀，所述第一调节阀设置于所述第一进气管上，用于控制所述第一进气管的开度，所述第二调节阀设置于所述第二进气管上，用于控制第二进气管的开度。所述卸压阀门设置于所述排气管道上，用于控制所述排气管道的开度。所述还原炉气体置换装置中的第一处理设备与所述第一调节阀和卸压阀门电连接，用于控制所述第一调节阀和卸压阀门的开启或关闭，以对还原炉进行第一阶段置换。所述还原炉气体置换装置中的第二处理设备与所述第二调节阀和卸压阀门电连接，用于控制所述第二调节阀和卸压阀门的开启或关闭，以对还原炉进行第二阶段置换。所述物料管道与所述还原炉的炉腔连通，所述物料管道上还设有第三调节阀，所述第三调节阀用于控制所述物料管道的开度，在所述还原炉气体置换结束后，向所述还原炉中通入生产物料。

92、本发明中的一种还原炉气体置换方法包含两个阶段的置换过程，能够有效地提高多晶硅产品的质量。还原炉在进行多晶硅的生产过程中，需要通过还原性气体(氢气)与三氯氢硅原料进行反应，从而形成多晶硅。然而，还原炉中的初始空气为含氧气体，如果直接通入还原性气体(氢气)，则会存在还原性气体与氧气接触而导致爆炸的风险。

93、具体地，本方法中的第一阶段置换为向还原炉内进行第一置换气体的充压和吹扫，第一置换气体为保护性气体，可以采用氮气或惰性气体。第一阶段置换的目的是将还原炉内的含氧气体置换出去，一是用于避免氧气与三氯氢硅物料产生氧化反应，导致多晶硅产品含有杂质，质量下降；二是为了避免在气体置换过程中，含氧气体与还原性气体(氢气)发生反应而导致爆炸的风险。进一步地，第一阶段置换中，首先开启第一调节阀并关闭卸压阀门，从而对还原炉进行充压，而后打开卸压阀门，对还原炉进行吹扫，其原因在于氮气的压力通常比较低，如果直接吹扫，容易出现倒灌现象。先充压，而后吹扫，能够产生更大的流动气压，更好地将其中的含氧气体置换出去。在第一阶段置换完成后，还原炉内的气体被置换成保护性气体。

94、第二阶段置换为向还原炉内进行第二置换气体的吹扫，第二置换气体为还原性气体，即氢气。第二置换气体吹扫时，打开第二调节阀和卸压阀门。在保护性气体(氮气)的保护下，氢气不会直接与含氧气体接触，从而提高气体置换的安全性。在第二阶段置换完成后，还原炉内的气体被置换成还原性气体，接下来可以向还原炉内通入三氯氢硅物料，进行多晶硅的生产。

95、进一步地，本方法在进行气体置换之前，需要对还原炉的置换过程进行仿真模拟。通过对气体置换的过程进行模拟仿真，能够确保气体置换后的还原炉内的氧含量能够达到要求，从而进一步提高多晶硅的产品质量。

96、具体地，仿真模拟的过程中，分别对第一阶段置换和第二阶段置换进行仿真，得到第一流体参数和第二流体参数。通过对还原炉的气体置换过程进行模拟仿真，能够预测出置换过程中最优的进气流量和置换时间。相对与现有技术中，需要根据还原炉排出尾气中的含氧量来调节进气流量和炉内尾气压力，本方法能够有效地减少试错成本，提高气体置换的效率。

97、因此，本还原炉气体置换方法能够高效且低成本地对还原炉中的气体进行置换，且能够降低气体置换过程中的安全风险，并且能够提高多晶硅产品的质量。