專利名稱：循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅鑄錠爐規(guī)模生產(chǎn)系統(tǒng)的集成利用，特別涉及一種可循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)及其生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
隨著能源及環(huán)境問題的日趨凸顯，人類對新能源的需求也日益增長。從目前國際太陽能電池的發(fā)展過程及從工業(yè)化發(fā)展來看，多晶硅已逐漸取代單晶硅成為晶體硅電池的主要組成部分。由于硅料成本及光伏整個生產(chǎn)鏈中的運行成本，使得電池發(fā)電成本一直偏高。因此，節(jié)能降耗既是每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)降低成本的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐在生產(chǎn)過程中一般采用氬氣排空的生產(chǎn)工藝，存在生產(chǎn)成本高，污染環(huán)境嚴重和電力消耗大的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)及其生產(chǎn)工藝解決了現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐在生產(chǎn)過程中存在生產(chǎn)成本高，污染環(huán)境嚴重和電力消耗大的問題。本發(fā)明是通過以下方案解決以上問題的
一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)，包括多臺多晶硅鑄定爐和氣站氬氣管路，每臺多晶硅鑄定爐上均設(shè)置有質(zhì)量流量控制器、比例閥和控制系統(tǒng)，氣站氬氣管路分別與每臺多晶硅鑄定爐的質(zhì)量流量控制器的輸入口連通，在每臺多晶硅鑄定爐的比例閥的輸出口上連接有自帶真空泵，在每臺多晶硅鑄定爐的比例閥的輸出口上均分別設(shè)置有聯(lián)機抽真空管，每個聯(lián)機抽真空管均與共用的聯(lián)機真空泵連通，在聯(lián)機抽真空管上設(shè)置有聯(lián)機抽真空閥，聯(lián)機真空泵的抽出氬氣排出管依次通過氬氣回收緩沖罐、緩沖閥、增壓泵與氬氣凈化單元連通，氬氣凈化單元與凈化氬氣儲氣罐連通，凈化氬氣儲氣罐的輸出口通過氬氣回用閥與回用氬氣總管路連通，在回用氬氣總管路與每臺多晶硅鑄定爐之間均分別設(shè)置有回用氬氣支管路，回用氬氣支管路與多晶硅鑄定爐上設(shè)置的質(zhì)量流量控制器的輸入口連通， 在回用氬氣支管路上設(shè)置有氬氣回用支路閥。在所述的氬氣凈化單元中設(shè)置有非蒸散型鋯鋁16及吸附過濾單元，經(jīng)氬氣凈化單元凈化后的每升氬氣中所含的粒徑大于或等于0. 5 μ m的塵埃的個數(shù)小于或等于5顆。在所述的每臺多晶硅鑄定爐的自帶真空泵的輸出接口上并聯(lián)有第一手動球閥和第二手動球閥，第二手動球閥與氬氣采集波紋管的一端連接，氬氣采集波紋管的另一端連接有第三手動球閥?！N循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機生產(chǎn)工藝，包括以下步驟
第一步、將多臺多晶硅鑄定爐并聯(lián)設(shè)置，在每臺多晶硅鑄定爐的比例閥的輸出口上分別設(shè)置聯(lián)機抽真空管，將每個聯(lián)機抽真空管與多臺多晶硅鑄定爐共用的聯(lián)機真空泵連通， 在聯(lián)機抽真空管上設(shè)置聯(lián)機抽真空閥，將聯(lián)機真空泵的輸出口依次通過氬氣回收緩沖罐和增壓泵及緩沖閥與氬氣凈化單元連通在一起，將氬氣凈化單元與凈化氬氣儲氣罐連通，將凈化氬氣儲氣罐的輸出口通過氬氣回用閥與回用氬氣總管路連通，在回用氬氣總管路與每臺多晶硅鑄定爐之間分別設(shè)置回用氬氣支管路，將回用氬氣支管路與對應(yīng)的多晶硅鑄定爐上設(shè)置的質(zhì)量流量控制器的輸入口連通。第二步、開啟聯(lián)機設(shè)置的每臺多晶硅鑄定爐的自帶真空泵對各自的爐體進行抽真空；
第三步、同時開啟氣站氬氣管路，向每臺多晶硅鑄定爐充入工藝性氬氣，通過控制質(zhì)量流量控制器和比例閥來實現(xiàn)爐內(nèi)壓力的恒壓，關(guān)閉每臺多晶硅鑄定爐的自帶真空泵，開啟聯(lián)機真空泵同時對每臺爐進行抽氬氣，并進行熔化工藝；
第四步、將爐中的氬氣經(jīng)由聯(lián)機真空泵抽出后，經(jīng)回收緩沖罐和增壓泵及緩沖閥送入設(shè)置有非蒸散型鋯鋁16的氬氣凈化單元中凈化，使每升氬氣中所含粒徑大于或等于 0. 5 μ m的塵埃的個數(shù)小于或等于5顆；
第五步、將凈化后的氬氣經(jīng)過凈化氬氣儲氣罐、回用氬氣總管路和回用氬氣支管路送入該臺多晶硅鑄定爐中；
第六步、從熔化開始一直到生產(chǎn)工藝結(jié)束，該回收凈化系統(tǒng)才停止運行。本發(fā)明減少了電力消耗，降低工藝氣體氬氣的消耗，直接降低生產(chǎn)成本。采取真空系統(tǒng)聯(lián)機，實現(xiàn)一臺真空泵運行，其余多臺真空泵停運的目的，通過聯(lián)機真空泵對抽出來的氬氣進行集中凈化處理，通過管路閥門完成氬氣的回爐再利用。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是本發(fā)明的單臺多晶硅鑄定爐的抽氣示意3是本發(fā)明的多晶硅鑄定工藝流程4是本發(fā)明的氬氣循環(huán)利用的工藝流程5是本發(fā)明的氬氣采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)，包括多臺多晶硅鑄定爐1和氣站氬氣管路18，每臺多晶硅鑄定爐1上均設(shè)置有質(zhì)量流量控制器4、比例閥2和控制系統(tǒng)3，氣站氬氣管路18分別與每臺多晶硅鑄定爐1的質(zhì)量流量控制器4的輸入口連通，在每臺多晶硅鑄定爐1的比例閥2的輸出口上連接有自帶真空泵5，在每臺多晶硅鑄定爐1的比例閥2 的輸出口上均分別設(shè)置有聯(lián)機抽真空管6，每個聯(lián)機抽真空管6均與共用的聯(lián)機真空泵8連通，在聯(lián)機抽真空管6上設(shè)置有聯(lián)機抽真空閥7，聯(lián)機真空泵8的抽出氬氣排出管9依次通過氬氣回收緩沖罐10、緩沖閥11、增壓泵13與氬氣凈化單元12連通，氬氣凈化單元12與凈化氬氣儲氣罐14連通，凈化氬氣儲氣罐14的輸出口通過氬氣回用閥15與回用氬氣總管路16連通，在回用氬氣總管路16與每臺多晶硅鑄定爐1之間均分別設(shè)置有回用氬氣支管路19，回用氬氣支管路19與多晶硅鑄定爐1上設(shè)置的質(zhì)量流量控制器4的輸入口連通，在回用氬氣支管路19上設(shè)置有氬氣回用支路閥17。在所述的氬氣凈化單元12中設(shè)置有非蒸散型鋯鋁16及吸附過濾單元，經(jīng)氬氣凈化單元12凈化后的每升氬氣中所含的粒徑大于或等于0. 5 μ m的塵埃的個數(shù)小于或等于5顆。在所述的每臺多晶硅鑄定爐1的自帶真空泵5的輸出接口上并聯(lián)有第一手動球閥 20和第二手動球閥21，第二手動球閥21與氬氣采集波紋管23的一端連接，氬氣采集波紋管23的另一端連接有第三手動球閥22。一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機生產(chǎn)工藝，包括以下步驟
第一步、將多臺多晶硅鑄定爐并聯(lián)設(shè)置，在每臺多晶硅鑄定爐1的比例閥2的輸出口上分別設(shè)置聯(lián)機抽真空管6，將每個聯(lián)機抽真空管6與多臺多晶硅鑄定爐共用的聯(lián)機真空泵8 連通，在聯(lián)機抽真空管6上設(shè)置聯(lián)機抽真空閥7，將聯(lián)機真空泵8的輸出口依次通過氬氣回收緩沖罐10和增壓泵13及緩沖閥11與氬氣凈化單元12連通在一起，將氬氣凈化單元12 與凈化氬氣儲氣罐14連通，將凈化氬氣儲氣罐14的輸出口通過氬氣回用閥15與回用氬氣總管路16連通，在回用氬氣總管路16與每臺多晶硅鑄定爐1之間分別設(shè)置回用氬氣支管路19，將回用氬氣支管路19與對應(yīng)的多晶硅鑄定爐1上設(shè)置的質(zhì)量流量控制器4的輸入口連通。第二步、開啟聯(lián)機設(shè)置的每臺多晶硅鑄定爐的自帶真空泵5對各自的爐體進行抽
真空；
第三步、同時開啟氣站氬氣管路18，向每臺多晶硅鑄定爐1充入工藝性氬氣，通過控制質(zhì)量流量控制器4和比例閥2來實現(xiàn)爐內(nèi)壓力的恒壓，關(guān)閉每臺多晶硅鑄定爐1的自帶真空泵5，開啟聯(lián)機真空泵8同時對每臺爐進行抽氬氣，并進行熔化工藝；
第四步、將爐中的氬氣經(jīng)由聯(lián)機真空泵抽出后，經(jīng)回收緩沖罐10和增壓泵13及緩沖閥 11送入設(shè)置有非蒸散型鋯鋁16的氬氣凈化單元12中凈化，使每升氬氣中所含粒徑大于或等于0. 5 μ m的塵埃的個數(shù)小于或等于5顆；
第五步、將凈化后的氬氣經(jīng)過凈化氬氣儲氣罐14、回用氬氣總管路16和回用氬氣支管路19送入該臺多晶硅鑄定爐1中；
第六步、從熔化開始一直到生產(chǎn)工藝結(jié)束，該回收凈化系統(tǒng)才停止運行。在充氬氣工藝過程中，單臺設(shè)備的自帶真空泵5的最大排氣量39L/min，每十臺設(shè)備聯(lián)機使用一臺真空泵，則最大所需真空泵的實際抽速應(yīng)390L/min。在實際確定真空泵的理論抽速時，必須計算連接管道的流導及真空閥門的流導影響，因此所需真空泵的實際抽速將會更大。通過以上的聯(lián)機抽氣，增大了聯(lián)機真空泵的排氣量，便于氬氣凈化系統(tǒng)氣體的采集和處理。在進行氬氣回收前，必須明確知道回收氣體的成分，因此必須先對各工藝階段的回收氣體進行成分分析和測定，以保證回收凈化單元處理后的氬氣可以達到工藝生產(chǎn)對氬氣的要求。在多晶硅鑄定爐1內(nèi)高溫區(qū)主要物質(zhì)有硅料，高純石墨，碳纖維，石英坩堝。爐內(nèi)最高溫度1550°C，在無氧環(huán)境下和氬氣環(huán)境下存在硅料內(nèi)非硅雜質(zhì)的揮發(fā)物，保溫碳纖維的揮發(fā)物，石墨粉塵顆粒高溫揮發(fā)物。高溫下石英坩堝會與石墨發(fā)生如下反應(yīng) C+Si02=Si0+C0，C0+Si=Si0+C
生成的SiO和CO隨同工藝氣體氬氣被真空系統(tǒng)抽出，需在后續(xù)凈化系統(tǒng)中進行處理。 高溫態(tài)的硅對氧極為敏感，需在凈化系統(tǒng)中設(shè)置氧含量分析儀，對管路中可能出現(xiàn)的漏氣現(xiàn)象增加凈化單元除氧除氮功能。對回收氬氣的測定是通過對自帶真空泵5的排氣管路進行真空密封改造，采用旁路式采集方式，采集管路采用焊接波紋與石英管串聯(lián)方式，氬氣氣體收集首先打開第二手動球閥21，關(guān)閉第一手動球閥20，緩慢打開第三手動球閥22，等氬氣采集波紋管23明顯膨脹拉升時，關(guān)閉第二手動球閥21，打開第一手動球閥20，同時關(guān)閉第三手動球閥22。此時氬氣采集波紋管23內(nèi)就是該工藝階段的氣體，將氬氣采集波紋管23連同閥門一同拆下，更換下一套收集管路，進行下一個工藝階段氣體的收集準備工作。將多次收集到得氣體標示后， 準備送檢。對回收到的氬氣的凈化，首先針對回收氣體中的塵埃雜質(zhì)，選用過濾吸附的方法將其降到< 3-5顆/升(對于粒徑> 0. 5 μ m塵埃)，滿足鑄錠生產(chǎn)的要求。對于其他氣體成分，氬氣凈化單元12是采用非蒸散型鋯鋁16吸氣劑為凈化劑。在一定的溫度下，吸氣劑可與氬氣中的微量02、N2、H2、H20、C0、C02、CH4等形成穩(wěn)定的化合物或固溶體，從而達到對氬氣精制的目的。氬氣凈化機可與直讀光譜儀、熒光光譜儀、輝光光譜儀配套使用，以超純的氣體質(zhì)量保證分析數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。要保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的運行，安全可靠的控制系統(tǒng)必不可少，通過對工藝流程分析，對整個控制系統(tǒng)閉環(huán)控制設(shè)計。在鑄錠生產(chǎn)過程中，當工藝進行到充氣階段后，聯(lián)機抽氣閥門打開，自帶抽氣閥關(guān)閉，同時自帶真空系統(tǒng)停機，抽氣由聯(lián)機真空泵完成，氬氣經(jīng)由聯(lián)機真空泵抽出后，通過回收氬氣儲氣罐壓力檢測，如壓力到達氣罐的使用上限，則不需要再進行回收氣體工作，直接排空即可，當壓力低于上限時，可以進行氣體的增壓凈化回收利用，為保證鑄錠工藝過程氣流的穩(wěn)定，必須保證進氣口的相對穩(wěn)定壓力。當回收儲氣罐氬氣低于0. 2MPa時，就不能繼續(xù)使用回收氬氣，需使用氣站的氬氣來保證生產(chǎn)，當回收的氬氣壓力高于0. 2MPa，充氣閥門自動切換，使氣站氬氣閥門關(guān)閉，回收氬氣閥門打開的狀態(tài)。各閥門的打開關(guān)閉，聯(lián)機真空泵的運行停止，凈化單元的啟動與停止均可實現(xiàn)自動控制，在操作界面均采用手動/自動兩種方式，可方便及時的進行切換。通過真空系統(tǒng)聯(lián)機運行、氬氣循環(huán)利用技術(shù)的研究，以100MW (20臺鑄錠爐的生產(chǎn)規(guī)模)的生產(chǎn)規(guī)模計算，每年按照350天實際生產(chǎn)則采用該項技術(shù)后每年節(jié)電約為841680 千瓦時；節(jié)省氬氣使用量約為38769. 23 m3 (按照退火及冷卻階段使用回收氬氣)；節(jié)省氬氣使用量約為119300. 00 m3 (按照充氣全程使用回收氬氣)，以6GW的多晶硅產(chǎn)量計算，如均采用該項技術(shù)每年節(jié)省電力約為50500800千瓦時；節(jié)省氬氣使用量約為23^140 m3 (按照退火及冷卻階段使用回收氬氣)；節(jié)省氬氣使用量約為7158000 m3 (按照充氣全程使用回收氬氣)；相當于每年減少觀觀0. 00噸原煤的燃燒，減少5034^97. 60千克二氧化碳的排放。
權(quán)利要求
1.一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)，包括多臺多晶硅鑄定爐(1)和氣站氬氣管路(18)，每臺多晶硅鑄定爐(1)上均設(shè)置有質(zhì)量流量控制器(4)、比例閥(2)和控制系統(tǒng)(3)，氣站氬氣管路(18)分別與每臺多晶硅鑄定爐(1)的質(zhì)量流量控制器(4)的輸入口連通，在每臺多晶硅鑄定爐(1)的比例閥(2)的輸出口上連接有自帶真空泵(5)，其特征在于， 在每臺多晶硅鑄定爐(1)的比例閥(2)的輸出口上均分別設(shè)置有聯(lián)機抽真空管(6)，每個聯(lián)機抽真空管(6 )均與共用的聯(lián)機真空泵(8 )連通，在聯(lián)機抽真空管(6 )上設(shè)置有聯(lián)機抽真空閥(7)，聯(lián)機真空泵(8)的抽出氬氣排出管(9)依次通過氬氣回收緩沖罐(10)、緩沖閥(11)、 增壓泵(13)與氬氣凈化單元(12)連通，氬氣凈化單元(12)與凈化氬氣儲氣罐(14)連通， 凈化氬氣儲氣罐(14)的輸出口通過氬氣回用閥(15)與回用氬氣總管路(16)連通，在回用氬氣總管路(16)與每臺多晶硅鑄定爐(1)之間均分別設(shè)置有回用氬氣支管路(19)，回用氬氣支管路(19)與多晶硅鑄定爐(1)上設(shè)置的質(zhì)量流量控制器(4)的輸入口連通，在回用氬氣支管路(19)上設(shè)置有氬氣回用支路閥(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)，其特征在于， 在所述的氬氣凈化單元(12)中設(shè)置有非蒸散型鋯鋁16及吸附過濾單元，經(jīng)氬氣凈化單元 (12)凈化后的每升氬氣中所含的粒徑大于或等于0. 5 μ m的塵埃的個數(shù)小于或等于5顆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)，其特征在于， 在所述的每臺多晶硅鑄定爐(1)的自帶真空泵(5)的輸出接口上并聯(lián)有第一手動球閥(20) 和第二手動球閥(21)，第二手動球閥(21)與氬氣采集波紋管(23)的一端連接，氬氣采集波紋管(23)的另一端連接有第三手動球閥(22)。
4.一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機生產(chǎn)工藝，包括以下步驟第一步、將多臺多晶硅鑄定爐并聯(lián)設(shè)置，在每臺多晶硅鑄定爐(1)的比例閥(2)的輸出口上分別設(shè)置聯(lián)機抽真空管(6)，將每個聯(lián)機抽真空管(6)與多臺多晶硅鑄定爐共用的聯(lián)機真空泵(8 )連通，在聯(lián)機抽真空管(6 )上設(shè)置聯(lián)機抽真空閥(7 )，將聯(lián)機真空泵(8 )的輸出口依次通過氬氣回收緩沖罐(10)和增壓泵(13)及緩沖閥(11)與氬氣凈化單元(12)連通在一起，將氬氣凈化單元(12)與凈化氬氣儲氣罐(14)連通，將凈化氬氣儲氣罐(14)的輸出口通過氬氣回用閥(15)與回用氬氣總管路(16)連通，在回用氬氣總管路(16)與每臺多晶硅鑄定爐(1)之間分別設(shè)置回用氬氣支管路(19)，將回用氬氣支管路(19)與對應(yīng)的多晶硅鑄定爐(1)上設(shè)置的質(zhì)量流量控制器(4 )的輸入口連通；第二步、開啟聯(lián)機設(shè)置的每臺多晶硅鑄定爐的自帶真空泵(5)對各自的爐體進行抽真空；第三步、同時開啟氣站氬氣管路(18)，向每臺多晶硅鑄定爐(1)充入工藝性氬氣，通過控制質(zhì)量流量控制器(4)和比例閥(2)來實現(xiàn)爐內(nèi)壓力的恒壓，關(guān)閉每臺多晶硅鑄定爐(1) 的自帶真空泵(5)，開啟聯(lián)機真空泵(8)同時對每臺爐進行抽氬氣，并進行熔化工藝；第四步、將爐中的氬氣經(jīng)由聯(lián)機真空泵抽出后，經(jīng)回收緩沖罐(10)和增壓泵(13)及緩沖閥(11)送入設(shè)置有非蒸散型鋯鋁16的氬氣凈化單元(12)中凈化，使每升氬氣中所含粒徑大于或等于0. 5 μ m的塵埃的個數(shù)小于或等于5顆；第五步、將凈化后的氬氣經(jīng)過凈化氬氣儲氣罐(14)、回用氬氣總管路(16)和回用氬氣支管路(19)送入該臺多晶硅鑄定爐(1)中；第六步、從熔化開始一直到生產(chǎn)工藝結(jié)束，該回收凈化系統(tǒng)才停止運行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種循環(huán)利用氬氣的多晶硅鑄定爐聯(lián)機系統(tǒng)及其生產(chǎn)工藝，解決了現(xiàn)有的多晶硅鑄錠爐在生產(chǎn)過程中存在生產(chǎn)成本高，污染環(huán)境嚴重和電力消耗大的問題。包括多臺多晶硅鑄定爐(1)和氣站氬氣管路(18)，多晶硅鑄定爐(1)均與共用的聯(lián)機真空泵(8)連通，聯(lián)機真空泵(8)通過氬氣回收緩沖罐(10)、緩沖閥(11)、氬氣凈化單元(12)、增壓泵(13)與凈化氬氣儲氣罐(14)連通，凈化氬氣儲氣罐(14)與回用氬氣總管路(16)連通，回用氬氣支管路(19)與多晶硅鑄定爐(1)上設(shè)置的質(zhì)量流量控制器(4)的輸入口連通。本發(fā)明還公開了氬氣回用的具體生產(chǎn)工藝。本發(fā)明減少了電力消耗，降低工藝氣體氬氣的消耗，直接降低生產(chǎn)成本。
文檔編號C30B28/06GK102277617SQ201110224069
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者于麗君, 侯煒強, 周社柱, 張軍彥, 杜海文, 王 鋒 申請人:中國電子科技集團公司第二研究所