Filterbeutel für Stahl- und Hüttenwerke: Warum eine einzige Spezifikation nie die gesamte Anlage abdeckt

Die Stahlproduktion zählt zu den filtrationsintensivsten industriellen Prozessen weltweit. Ein einzelnes integriertes Stahlwerk kann Dutzende separater Staubabscheider aufweisen – Sinteranlagen, Hochöfen, Sauerstoffkonverter, Elektrolichtbogenöfen, Kalköfen, Pfannenmetallurgieanlagen, Gießanlagen, Walzwerke – und jeder dieser Anlagen erzeugt einen Rauchgasstrom mit einer spezifischen Kombination aus Temperatur, Staubbelastung, Partikelmorphologie und chemischer Zusammensetzung. Die für einen Standort geeigneten Filterbeutelspezifikationen versagen an einem anderen Standort, mitunter innerhalb weniger Wochen.

Dies führt zu einem Problem, dem ich in der Praxis immer wieder begegne: Anlagen, die aus betrieblichen Gründen eine einheitliche Filtersackspezifikation für mehrere Prozessschritte verwenden, verbringen dann Jahre damit, unerklärliche Ausfälle an bestimmten Stellen zu beheben, während die Leistung an anderen Stellen zufriedenstellend ist. Die Ausfälle sind nicht zufällig. Sie sind vorhersehbar, sobald man die Staubzusammensetzung und das thermische Profil an jedem Prozessschritt versteht.

Dieser Artikel behandelt die Herausforderungen bei der Filtration an jedem wichtigen Produktionsstandort eines Stahlwerks, die Gründe für die gewählten Standardmaterialien, die Folgen der Installation des falschen Filtermediums und wie man die Installation eines Filtersacks ordnungsgemäß überprüft, bevor man ein System wieder in Betrieb nimmt.

Das Staubproblem in Stahlwerken ist nicht nur ein Problem – es sind acht

Die bei der Stahlproduktion entstehenden Rauchgasströme weisen bis auf die Tatsache, dass sie alle vor dem Eintritt in den Schornstein gereinigt werden müssen, kaum Gemeinsamkeiten auf. Das Verständnis der jeweiligen Besonderheiten ist die Grundlage für die richtige Auswahl des Filtermaterials.

Sinteranlage

Sintern ist der Prozess der Agglomeration von feinem Eisenerz, Koksgrieß und Zuschlagstoffen zu einem porösen, für den Hochofen geeigneten Schüttgut. Das Abgas des Sinterstrangs enthält bei Temperaturen von 120–180 °C feine Partikel, signifikante SO₂-Konzentrationen aus dem Schwefel im Erz und Koks, Dioxine und Furane aus der unvollständigen Verbrennung organischer Stoffe sowie Schwermetallverbindungen, die bei den Sintertemperaturen verdampfen und sich beim Abkühlen des Gases an den Partikeln kondensieren. Die Kombination aus sauren Gasen, Schwermetallen und feinen, klebrigen Partikeln bei hohen Temperaturen macht die Filterung in Sinteranlagen zu einer der anspruchsvollsten Anwendungen in der Industrie.

PTFE-Filterbeutel PTFE-Membranlaminate sind die optimale Lösung für Sinteranlagen. Die vollständige chemische Inertheit von PTFE gewährleistet die Beständigkeit gegenüber sauren Gasen und Schwermetallverbindungen ohne Zersetzung. Die Membranoberfläche ermöglicht die Rückhaltung feinster Partikel, insbesondere submikronärer, kondensierter Schwermetall-Aerosolpartikel, die herkömmliche Tiefenfiltrationsmedien passieren. Die Antihaftbeschichtung verhindert, dass sich in Sinteranlagen häufig klebriger Staubkuchen bildet, der die Membran verstopft und andernfalls zu einem progressiven Druckabfall während des Betriebszyklus führen würde.

PPS wird mitunter in Sinteranlagen eingesetzt, in denen die SO₂-Konzentrationen nicht extrem hoch sind und der Kostendruck hoch ist. PPS ist bei den dortigen Betriebstemperaturen gut gegen Schwefeldioxid geschützt, seine Oxidationsbeständigkeit ist jedoch begrenzt. In Atmosphären mit erhöhtem Sauerstoffgehalt, wie er an manchen Abgasstellen von Sinteranlagen auftreten kann, beschleunigt sich der Abbau von PPS. Nutzt die Anlage eine Entschwefelungsanlage vor dem Filterfilter, ändert dies die Berechnung teilweise, die Herausforderung durch Schwermetall-Aerosole bleibt jedoch bestehen.

Hochofen-Gusshalle

Die Gießerei erzeugt den optisch auffälligsten Staub der Stahlherstellung – die rot-orangen Rauchwolken, die beim Abstich des flüssigen Eisens aus dem Ofen entstehen. Dieser Staub besteht hauptsächlich aus Eisenoxid, das durch die Oxidation von Eisentröpfchen und -spritzern an der Luft entsteht. Die Temperaturen an der Absaughaube können während des Abstichs sprunghaft ansteigen, die durchschnittliche Gastemperatur am Einlass des Filters liegt jedoch typischerweise zwischen 100 und 180 °C, abhängig von der Effektivität der Absaughaube und der zugeführten Verdünnungsluftmenge.

Der Eisenoxidstaub aus Gießereianlagen ist chemisch relativ unschädlich, aber physikalisch abrasiv. Gießereifiltersäcke versagen am häufigsten durch mechanischen Abrieb am Einlauf, wo der staubbeladene Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit das Filtermaterial erodiert. In dieser Anwendung sind die mechanischen Eigenschaften des Filtermaterials – Zugfestigkeit, Abriebfestigkeit und Gewebekonstruktion – wichtiger als die chemische Beständigkeit.

Aramid (Nomex) Filterbeutel Aufgrund ihrer Kombination aus mechanischer Festigkeit, Dauertemperaturbeständigkeit bis 204 °C mit Spitzenwerten bis 250 °C und Dimensionsstabilität unter den Temperaturwechseln zwischen den Abstichvorgängen eignen sie sich gut für Anwendungen in Gießereien. Glasfaser wird ebenfalls eingesetzt, insbesondere bei höheren Temperaturen, ist jedoch anfälliger für mechanische Beschädigungen durch den abrasiven Staub, der für die Absaugung in Gießereien charakteristisch ist. Die Oberflächenbehandlung der Aramid-Filtermedien – Kalandrieren, Sengen oder Membranlaminieren – wird anhand der spezifischen Emissionsanforderungen und der Staubcharakteristika am jeweiligen Einsatzort gewählt.

Sekundäremissionen von Sauerstoffblasanlagen

Der Sauerstoffkonverter (BOF) ist der wichtigste Stahlerzeugungsbehälter in integrierten Stahlwerken. Die primären Emissionen – die massive Rauchfahne, die beim Einblasen von Sauerstoff entsteht – werden üblicherweise durch ein separates Gasrückgewinnungssystem und nicht durch einen Gewebefilter aufgefangen. Filtrationsingenieure beschäftigen sich hingegen mit den sekundären Emissionen: dem Feinstaub, der aus der Behältermündung, beim Abstich und beim Gießen aus der Gießpfanne entweicht.

Der Sekundäremissionsstaub aus Konverter-Anlagen besteht hauptsächlich aus Eisenoxid mit geringen Mengen an Calciumoxid aus Flussmittelzusätzen und wird typischerweise bei Temperaturen zwischen 120 und 200 °C gesammelt. Die größte Herausforderung stellt die variable Staubbelastung dar: Die Sekundäremissionsraten sind während des Abstichs und der Abschöpfung am höchsten, wodurch Spitzenbelastungen im Filtergehäuse entstehen, die um ein Vielfaches höher sein können als im stationären Zustand. Filtermedien für Sekundäremissionssysteme von Konverter-Anlagen müssen daher über eine ausreichende mechanische Festigkeit verfügen, um die zur Bewältigung dieser Spitzenbelastungen erforderliche Reinigungspulsfrequenz zu bewältigen und gleichzeitig die Dimensionsstabilität bei der Betriebstemperatur zu gewährleisten.

Aramid ist hier die Standardspezifikation, PPS wird in einigen Anwendungen eingesetzt, in denen die Betriebstemperatur zuverlässiger geregelt werden kann. Entscheidend für Sekundäremissionssysteme von Konvertern ist, dass das Reinigungssystem nicht nur auf den Durchschnittswert, sondern auch auf die Spitzenlast eingestellt ist. Ein Filtersystem, das im Normalbetrieb ausreichend funktioniert, aber die Spitzenlast nicht bewältigen kann, kann genau dann Emissionsgrenzwerte überschreiten, wenn die größte Staubmenge entsteht.

Elektrolichtbogenofen

Der Elektrolichtbogenofen (EAF) stellt eine der anspruchsvollsten Filtrationsumgebungen in der Stahlproduktion dar. EAF-Staub ist ein komplexes Gemisch, das hauptsächlich aus Zinkoxid – aus verzinktem Schrott – sowie Eisenoxid, Bleiverbindungen, Cadmium und anderen Schwermetallen besteht. Der Zinkgehalt ist so hoch, dass EAF-Staub in vielen Ländern als Sondermüll eingestuft und als sekundäre Zinkquelle behandelt oder entsprechend entsorgt werden muss.

Die Gastemperaturen im primären Absaugkanal können während der Schmelzphase 200–300 °C oder mehr erreichen und sinken, sobald das Gas vor dem Filterfilter verdünnt und abgekühlt wird. Der Betriebszyklus des Elektrolichtbogenofens (EAF) führt zu stark schwankenden Belastungen – Temperatur, Durchflussrate und Staubbeladung ändern sich erheblich zwischen den Phasen Beschickung, Schmelzen, Raffination und Abstich. Diese Schwankungen belasten die Filtermedien durch wiederholte Temperaturwechsel und Reinigungsimpulse mit variabler Frequenz.

Glasfaserfilterbeutel Sie erfüllen die Standardvorgaben für primäre EAF-Abscheidesysteme, da sie die hohen Temperaturspitzen während der Schmelzphase bewältigen können. Die Dauertemperaturbeständigkeit bis 260 °C mit kurzzeitigen Spitzenwerten von 280–300 °C bietet ausreichend Spielraum für die Temperaturschwankungen in der Schmelzphase. Die Dimensionsstabilität des Glasfasermaterials unter Temperaturwechselbeanspruchung – insbesondere die geringen Schrumpfungswerte – sorgt dafür, dass die Filtersäcke auch nach Hunderten von Temperaturzyklen passgenau in den Rohrbodensitzen sitzen. Dadurch wird die Bypass-Leckage verhindert, die bei Anlagen mit minderwertigen Filtermedien zu Emissionsausfällen führt.

Für EAF-Nachseparations- und Abzugshaubensysteme, bei denen die Temperaturen niedriger und gleichmäßiger sind, können PPS oder Aramid wirtschaftlichere Alternativen darstellen. Die Wahl hängt davon ab, ob Schwermetalle in Mengen vorhanden sind, die die zusätzliche chemische Beständigkeit einer PTFE-Laminierung rechtfertigen.

Kalkofen

Kalköfen in Stahlwerken – zur Herstellung von Branntkalk als Flussmittel in der Stahlerzeugung – erzeugen bei Temperaturen von 150–250 °C sehr feinen Calciumoxid- und Calciumcarbonatstaub. Dieser Kalkstaub ist hygroskopisch: Er zieht Feuchtigkeit aus dem Gasstrom an und kann bei sinkender Gastemperatur nahe dem Taupunkt Calciumhydroxid an der Oberfläche des Filterschlauchs bilden. Calciumhydroxid ist klebrig und verstopft das Filtermaterial schnell, wenn es beim Anfahren, Abfahren oder bei Lastreduzierung zu Kondensation kommt.

Dieses hygroskopische Verhalten ist der Hauptgrund für das Versagen von Filtersäcken in Kalköfen. Anlagen, in denen es wiederholt zu frühen Ausfällen der Kalkofen-Schlauchfilter kommt, stellen oft fest, dass das Problem eher im Temperaturmanagement während des An- und Abfahrens als in den Spezifikationen des Filtermaterials selbst liegt. Filtersäcke, die Gastemperaturen unterhalb des Säure- oder Feuchtigkeitstaupunkts ausgesetzt sind, bevor sich ein stabiler Filterkuchen gebildet hat, neigen stark zum Verstopfen durch feuchtigkeitsaktivierte Kalkpaste.

Für das Filtermedium Glasfaserfilterbeutel Für den höheren Temperaturbereich sind sie geeignet, wobei Aramid bei 150–200 °C eine Alternative darstellt. Der wichtigste technische Aspekt ist das Wärmemanagement: Eine ausreichende Isolierung der Kanäle und des Filtergehäuses verhindert ein Absinken der Temperatur unter den Taupunkt. Zudem ist ein Inbetriebnahmeverfahren erforderlich, das das System vor der Einleitung des Prozessgases auf Betriebstemperatur bringt. Eine Vorbeschichtung mit Kalk vor der ersten Inbetriebnahme bietet eine wichtige zusätzliche Schutzschicht für das neue Filtermaterial.

Drehrohrofen – Aluminiumkrätze und Sekundärmetallurgie

Drehrohröfen zur Verarbeitung von Aluminiumkrätze, zur Sekundäraluminiumgewinnung und für andere nichteisenmetallurgische Prozesse erzeugen neben dem Rauchgas aus der Brennstoffverbrennung auch Staubströme, die reaktive Aluminiumoxidverbindungen enthalten. Die Staubbelastung und das Temperaturprofil hängen stark vom jeweiligen Verarbeitungsmaterial und dem Ofenbetriebszyklus ab.

Ein Fallbeispiel, das diese Anwendung gut veranschaulicht, betrifft eine Aluminiumkrätze-Verarbeitungsanlage mit einem Emissionsproblem in einem ihrer Drehrohrofen-Schlauchfilter. Untersuchungen vor Ort ergaben, dass die installierten Filterschläuche nicht die erforderliche Filtrationsleistung erreichten, um die Emissionsgrenzwerte von 10 mg/Nm³ zu erfüllen. Die REM-Analyse der ursprünglichen Filtermedienfasern zeigte eine Degradation, die auf einen chemischen Angriff durch reaktive Rauchgaskomponenten hindeutete – die Medienspezifikation war für die tatsächliche chemische Umgebung unzureichend.

Die Lösung bestand im Austausch gegen hochpräzise PTFE-Filterbeutel. Diese vereinten die für den Zielwert von unter 10 mg/Nm³ erforderliche Feinstaubabscheidung mit der für den zuverlässigen Betrieb in reaktiven Gasumgebungen notwendigen chemischen Beständigkeit. Nach der Installation wurde das System mit einem Lecksuchverfahren mittels fluoreszierendem Tracerpulver in Betrieb genommen, um die Integrität vor der Wiederinbetriebnahme zu bestätigen. Einen Monat nach der Inbetriebnahme ergaben unabhängige Messungen am Schornstein tatsächliche Emissionen von 1 mg/Nm³ – deutlich unter dem Grenzwert von 10 mg/Nm³.

Die wichtigste Erkenntnis aus diesem Fall ist, dass ein fehlgeschlagener Emissionstest an einem Drehrohrofen nicht automatisch auf ein Problem mit der Filterbeutelintegrität hinweist. Es kann ebenso gut ein Problem mit der Filtrationsgenauigkeit bedeuten – die Beutel sind intakt und dichten korrekt ab, aber das Filtermaterial ist nicht fein genug, um die im Gasstrom vorhandenen Submikronpartikel aufzufangen. Die REM-Faseranalyse hilft, zwischen diesen Fehlerarten zu unterscheiden, die völlig unterschiedliche Sanierungsmaßnahmen erfordern.

Warum die PTFE-Membranlaminierung die Leistungsgleichung verändert

An allen oben beschriebenen Standorten der Stahlwerksprozesse verändert die PTFE-Membranlaminierung auf dem Basisfiltermedium – unabhängig davon, ob es sich um Glasfaser, Aramid oder PPS handelt – den Filtrationsmechanismus auf eine Weise, die erhebliche betriebliche Auswirkungen hat.

Konventionelle Nadelfilzfilterschläuche arbeiten nach dem Prinzip der Tiefenfiltration: Partikel dringen in die Fasermatrix ein und werden im Filtermaterial zurückgehalten. Ein Tiefenfiltrationsschlauch erreicht seine geplante Effizienz erst, nachdem sich ein stabiler Filterkuchen auf der Oberfläche gebildet hat. Die Anfangsphase nach der Installation oder nach einer gründlichen Reinigung ist durch eine höhere Partikeldurchdringung gekennzeichnet, bis sich der Filterkuchen wieder gebildet hat. Dies erklärt, warum die Emissionen in einem gut funktionierenden Tiefenfiltrations-Schlauchfilterhaus nach einem Reinigungszyklus oft kurzzeitig ihren Höhepunkt erreichen und warum die Zeit unmittelbar nach der Installation eines neuen Schlauchs das höchste Risiko für Emissionsgrenzwerte birgt.

Die Laminierung mit einer PTFE-Membran wandelt dies in Oberflächenfiltration um. Die biaxial gestreckte PTFE-Membran – mit einer Porendichte in der Größenordnung von 10⁹ Poren pro cm² und einer Porengröße im Bereich von 0.3–1 μm – filtert Partikel an der Gewebeoberfläche und nicht innerhalb der Faserstruktur. Dadurch erreicht der Filterbeutel seine geplante Emissionsleistung bereits ab dem ersten Betriebszyklus nach der Installation, ohne dass sich ein Staubkuchen bilden muss. Noch wichtiger ist, dass Reinigungsimpulse keine kurzzeitigen Emissionsspitzen verursachen, wie sie bei Tiefenfiltrationsmedien auftreten, da die Filtration an der Oberfläche und nicht im Filterkuchen erfolgt.

Bei Anwendungen in Stahlwerken mit extrem niedrigen Emissionsanforderungen – die aufgrund verschärfter Umweltauflagen immer häufiger vorkommen – ist die PTFE-Membranlaminierung oft der entscheidende Faktor dafür, ob die Grenzwerte zuverlässig eingehalten werden oder ob man sich im Grenzbereich bewegt, wo Prozessschwankungen gelegentlich zu Überschreitungen führen.

Die Abriebfestigkeit stellt die größte Einschränkung beim Einsatz von PTFE-Membranen dar. Die Membran besteht aus einer dünnen, auf das Trägergewebe laminierten Folie und ist anfällig für mechanische Beschädigungen durch stark abrasiven Staub, der mit hoher Geschwindigkeit auftrifft. In Anwendungen wie Hochofen-Gießereien, wo der Staub grobkörnig und kantig ist und mit hoher kinetischer Energie auf den Filtersackeinlass trifft, kann es mit der Zeit zu Membranschäden kommen. Für diese Anwendungen ist ein nicht membranbeschichtetes Filtermedium mit geeigneter Einlassleitwand, die den Gasstrom vom direkten Auftreffen auf den Filtersack ablenkt, oft die technisch bessere Wahl als eine Membranlaminierung.

Inbetriebnahme und Lecksuche: Der Schritt, den die meisten Anlagen überspringen

Die Installation der richtigen Filtersäcke in einem ordnungsgemäß gewarteten Filterhaus ist zwar notwendig, aber nicht ausreichend, um die vom System vorgesehenen Emissionswerte zu erreichen. Jede Installation birgt potenzielle Leckagequellen: nicht korrekt sitzende Beutelkragen, beschädigte Beutel bei der Handhabung, Unebenheiten der Rohrbodenoberfläche, die eine vollständige Abdichtung verhindern, und nicht ordnungsgemäß ausgetauschte Dichtungen der Zugangstüren.

Die einzige zuverlässige Methode zur Überprüfung der Installationsintegrität vor der Wiederinbetriebnahme einer Anlage ist die Lecksuche mit fluoreszierendem Tracerpulver. Tracerpulver – ein feines, fluoreszierendes Partikel – wird in die Filterkammern eingeführt und durch den Druckunterschied zu etwaigen Leckstellen transportiert. Die Inspektion des Reinluft-Plenums unter UV-Licht zeigt die genaue Position jeder Leckage: das exakte Loch in der Rohrbodenplatte, wo ein Filtersackkragen nicht abdichtet, der spezifische Filtersack mit einem Beschädigungsloch, die Zugangstür, deren Dichtung nachjustiert werden muss.

Für Systeme mit extrem niedrigen Emissionsanforderungen – wie sie in Stahlwerken aufgrund verschärfter regulatorischer Standards häufig vorkommen – Leckageerkennung mittels fluoreszierendem Tracerpulver Die Lecksuche vor der Inbetriebnahme ist unerlässlich. Ein einzelner undichter Filtersackkragen in einem großen Abteil kann messbare Emissionsüberschreitungen verursachen, die sich als diffuser, allgemeiner Anstieg der Abgaskonzentration bemerkbar machen, anstatt als identifizierbare, diskrete Quelle. Ohne die Lecksuche ist die Behebung solcher Probleme nach der Inbetriebnahme äußerst schwierig.

Die Vorbeschichtung mit Kalk- oder Calciumcarbonatpulver vor der ersten Inbetriebnahme nach einem Filtersackwechsel erfüllt eine zusätzliche Funktion: Sie bildet eine Schutzschicht auf den neuen Filtersackoberflächen, die verhindert, dass die erste Ladung Prozessstaub – oft feinstes und am besten eindringendes Material – das Filtermaterial erreicht und verstopft, bevor sich ein stabiler Arbeitsstaubkuchen gebildet hat. In Stahlwerken, wo der Staub fein ist und die Emissionsgrenzwerte streng sind, reduziert die Vorbeschichtung das Risiko einer Emissionsüberschreitung während der Installationsphase, die bei neuen, unbeschichteten Filtermaterialien häufig auftritt.

Zusammenfassung der Filtermedienauswahl nach Prozessstandort im Stahlwerk

Die nachstehende Tabelle fasst die oben erläuterten Spezifikationsrichtlinien zusammen. Sie dient als Ausgangspunkt und ist keine absolute Spezifikation – die tatsächliche Auswahl erfordert eine Analyse der spezifischen Gastemperatur, der chemischen Zusammensetzung, der Staubbelastung und der Emissionsanforderungen der jeweiligen Anlage.

Kontaktieren Sie Omela Filtration

Omela Filtration liefert Filtersäcke für Staubabscheider für alle Anwendungen in Stahl- und Hüttenwerken – von Sinteranlagen über Hochöfen, Konverter, Elektrolichtbogenöfen, Kalköfen und Drehrohröfen bis hin zur Materialförderung. Unser Ingenieurteam bietet prozessspezifische Filtermedienauswahl, Zustandsanalysen vor Ort, Installationsservices und Lecksuche mit fluoreszierendem Pulver.

Autorin

Jessica Ma – Leitender Filtrationsingenieur, Omela Filtration

Jessica Ma ist leitende Filtrationsingenieurin bei Omela Filtration und spezialisiert auf Staub- und Flüssigkeitsfiltration. Mit über 15 Jahren Erfahrung konzentriert sie sich auf die Optimierung der Leistung von Schlauchfilteranlagen, die Steigerung der Filtrationseffizienz und die Entwicklung von Hochleistungslösungen für industrielle Entstaubungsanlagen und Präzisionsflüssigkeitsfiltrationsanwendungen.