Eine Masterarbeit der Universität Oulu zeigt auf, dass die modulare Staubabsaugtechnologie von Filtrabit sowohl ökologische Vorteile als auch direkte Rentabilität für das Edelstahlwerk von Outokumpu in Tornio bietet.
Die Studie umfasste eine technische Analyse der Partikelgrößenfraktionen, der chemischen Zusammensetzung des gesammelten Staubs sowie detaillierte wirtschaftliche Berechnungen zum Wert des rückgewonnenen Rohstoffs und zu reduzierten Abfallentsorgungsgebühren.
Wichtigste Erkenntnisse:
- Erhebliche Materialrückgewinnung: Allein der zurückgewonnene Ferrochrom-Staub hat einen berechneten Substitutionswert von 88.000 € – 118.000 € pro Jahr.
- Positive Nettowirtschaftlichkeit: Das System erzielt Rentabilität durch Materialeinsparungen und reduzierte Abfallgebühren, welche die kombinierten Leasing- und Energiekosten übersteigen – noch bevor HSEQ-Vorteile (Gesundheit, Sicherheit, Umwelt und Qualität) berücksichtigt werden.
- Echter additiver Effekt: Das bestehende Schlauchfiltersystem behielt seine Sammelvolumina bei, was beweist, dass die Filtrabit-Einheit zusätzlichen Staub erfasst, der zuvor unkontrolliert blieb.
- Minderung gefährlicher Emissionen: Das System erfasst jährlich 30 Tonnen Chrom direkt an der Quelle, darunter geschätzt 42–180 kg krebserregendes sechswertiges Chrom (Cr VI), und verhindert so dessen Eintritt in den Arbeitsbereich oder die Umwelt.
Gekürzte deutsche Übersetzung:
Evaluierung der modularen Rückgewinnung metallhaltiger Prozessstäube in der metallurgischen Produktion
Ilari Juntti
Universität Oulu, Studiengang Maschinenbau
Masterarbeit, 2026
Originalveröffentlichung in finnischer Sprache:
https://oulurepo.oulu.fi/bitstream/handle/10024/61355/nbnfioulu-202603182223.pdf
Zusammenfassung
Diese Masterarbeit bewertet die technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der modularen Staubabsaugungseinheit Filtrabit DC401 in einer Edelstahlproduktionsumgebung. Die Studie wurde im Edelstahl-Schmelzwerk von Outokumpu in Tornio durchgeführt, wo eine Filtrabit DC401-Einheit im Legierungsumschlagsystem installiert wurde. Der Pilotbetrieb beschränkte sich auf die Rückgewinnung von Ferrochrom-Staub.
Die Untersuchung basierte auf einer Literaturrecherche, einem industriellen Pilotbetrieb, betrieblichen Messdaten, Laboranalysen und einer wirtschaftlichen Bewertung. Der gesammelte Staub wurde gewogen und nach Partikelgröße sowie chemischer Zusammensetzung analysiert. Die wirtschaftliche Analyse quantifizierte den Wert des zurückgewonnenen Staubs basierend auf seinem Chromgehalt und bewertete die damit verbundenen Einsparungen in der Abfallentsorgung.
Die Ergebnisse zeigen, dass das modulare Staubabsaugungssystem eine effiziente Rückgewinnung metallhaltiger Stäube direkt an der Quelle ermöglicht. Das System trennte den Staub in zwei unterschiedliche Fraktionen, von denen eine einen signifikanten Anteil an Chrom enthielt. Dies ermöglicht es, das Material in den Schmelzprozess zurückzuführen. Die Lösung ist in Situationen wirtschaftlich gerechtfertigt, in denen die Staubrückgewinnung auch zu Einsparungen bei der Abfallbehandlung führt.
Das System verbesserte die Staubkontrolle innerhalb des Legierungsumschlagsystems und reduzierte diffuse Emissionen im Prozessbereich. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine gezielte Staubabsaugung eine technisch funktionale und wirtschaftlich gerechtfertigte Lösung für die Staubkontrolle in der Stahlindustrie darstellt. Die Lösung unterstützt Materialeffizienz und die Ziele der Kreislaufwirtschaft.
Schlüsselwörter: Cleantech, Staubkontrolle, Ferrochrom
Prozessumgebung
Die Untersuchung wurde im Edelstahl-Schmelzwerk von Outokumpu in Tornio am Legierungsförderer der Produktionslinie 1 durchgeführt, die den Elektrolichtbogenofen (EAF), den Chromkonverter, die Argon-Sauerstoff-Entkohlungsanlage (AOD) und die Pfannenstation bedient. Alle Legierungsmittel, die nicht bereits während der EAF-Korbchargierung mit Recyclingstahl hinzugefügt werden, passieren den Legierungsförderer. Der Legierungsförderer besteht aus einem Aufgabebunker, einem darunter befindlichen Vibrationsförderer und einem mehrere Dutzend Meter langen ansteigenden Fördersystem, das das Material zu den nachfolgenden Prozessstufen transportiert.
Staub entsteht insbesondere am Vibrationsförderer des Aufgabebunkers der Legierungshalle, wo der Materialfluss die Legierungsmittel zerreibt und Feinanteile erzeugt, die durch den Luftstrom transportiert werden. An diesem Punkt befindet sich eine Hauptquelle für Staubemissionen des Legierungsförderers, an die auch die in dieser Studie untersuchte neue Staubabsaugungseinheit angeschlossen ist. Die Prozessumgebung ist ein typischer Materialumschlagsbereich eines Edelstahl-Schmelzwerks. Staub bildet sich als Folge großer Materialströme und deren Handhabung, was insbesondere an den Aufgabestellen und Abwurfstellen des Förderers erhebliche lokale Staubemissionen verursacht.
Ursprüngliches Staubabsaugungssystem und Ausgangszustand
Vor dem neuen Staubabsaugungssystem wurde das Staubmanagement am Vibrationsförderer durch ein Schlauchfiltersystem erledigt, das gleichzeitig als allgemeine Belüftung für die Legierungshalle dient. Die Saugleistung des Geräts verteilt sich auf dutzende Absaugpunkte in der gesamten Legierungshalle, was zu einer begrenzten lokalen Absaugeffizienz führt.
Das neue Gerät wurde installiert, um die gezielte Stauberfassung neben dem bisherigen Staubfiltrationssystem als Teil der bestehenden Absaugkanäle zu verbessern. Der vom alten Schlauchfiltersystem gesammelte Staub bestand aus verschiedenen Staubfraktionen von Legierungsmitteln und Rohstoffen. Die wichtigsten Hauptkomponenten waren Branntkalk (CaO), Dolomitkalk (CaO-MgO) und Ferrochrom-basierter Staub. Da das System als weitreichendes allgemeines System arbeitet, sammelte sich Staub aus mehreren verschiedenen Quellen an, was zu einer heterogenen Zusammensetzung des gesammelten Staubs führte, der sowohl metallische als auch nicht-metallische Komponenten enthielt.
Funktionsprinzip des Filtrabit DC401-Systems
Das in der Studie bewertete System, das Filtrabit DC401, ist eine auf Strömungsdynamik basierende Staubabsaugungseinheit, die entwickelt wurde, um feinen Prozessstaub direkt an seinem Entstehungspunkt zu entfernen. Der Abscheidungsprozess des Systems besteht aus zwei Stufen: der Vorabscheidung der Grobfraktion über Zyklone und der Abscheidung der Feinfraktion basierend auf einem patentierten strömungsdynamischen Abscheidekern.
Die erste Abscheidungsstufe des Systems basiert auf der Zyklonabscheidung. Größere und dichtere Partikel bewegen sich in Richtung der Wand und sinken in den Sammeltrichter ab, von wo aus sie in ein separates Sammelgefäß entfernt werden. Die Zyklonstufe reduziert die Partikellast, die in die nachfolgende Abscheidung geleitet wird. In der zweiten Stufe wird der Luftstrom in vier patentierte Abscheidekerne geleitet.
In den Abscheidekernen wird die Strömung in geometrisch geformte Kanäle geführt, in denen tangentiale und radiale Beschleunigungskomponenten erzeugt werden. Partikel mit ausreichender Trägheit weichen vom Hauptstrom ab und bewegen sich in einen Seitenstrom, wo sie gesammelt werden.
Gemäß den Herstellerspezifikationen übersteigt die Abscheideeffizienz 99 % für Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 2,5𝜇𝑚 (PM > 2,5𝜇𝑚) und etwa 96 % für kleinere Partikel (PM < 2,5𝜇𝑚).
Der abgeschiedene Staub wird in einen Staubsammeltrichter und weiter in Sammelsäcke geleitet. In der Einheit in Tornio kann die gereinigte Luft über ein einstellbares Ventil-Verhältnis entweder zurück zum Legierungsförderer oder zum ursprünglichen Staubabsaugungssystem des Schmelzwerks geleitet werden. Das Gerät arbeitet als eigenständige Einheit oder als Teil eines größeren Filtrationssystems. Das System ist modular aufgebaut und ermöglicht die parallele Installation mehrerer Einheiten zur Kapazitätserhöhung.
Gemessene Staubvolumina und Abscheideeffizienz
Für Ferrochrom wurden drei separate Testläufe in ähnlicher Weise durchgeführt, bevor zum kontinuierlichen Betrieb im vollen Maßstab übergegangen wurde. Während der Phase im vollen Maßstab wurden im Versuchszeitraum insgesamt 2556,34 Tonnen Ferrochrom verarbeitet, und das System sammelte insgesamt 6347,6 kg Staub. Der während des Betriebs im vollen Maßstab gesammelte Staub umfasst sowohl grobe als auch feine Fraktionen und wird verwendet, um die Abscheideeffizienz und Staubakkumulation im Produktionsmaßstab zu bewerten.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Filtrabit-System Staub von beiden untersuchten Hauptströmen der Legierungsmittel sammelt und der gesammelte Ferrochrom-Staub (HC52) sich hauptsächlich auf die Grobfraktion (93,57 %) und in geringerem Maße auf die Feinfraktion (6.43 %) verteilt.
Ergebnisse der Abscheideeffizienz des Filtrabit-Staubabsaugungssystems für Dolomitkalk und Ferrochrom:
| Legierung | Beladungsfrequenz | Verarbeitete Menge [t] | Staub gesamt [kg] | Staubquote [%] | Grobfraktion [kg] | Grob [%] | Feinfraktion [kg] | Fein [%] |
| ADOL | Testläufe (n=6) | 26,70 | 363,80 | 1,36% | 318,60 | 87,58 | 45,20 | 12,42 |
| HC52 | Testläufe (n=3) | 62,50 | 142,40 | 0,23% | 127,00 | 89,19 | 15,40 | 10,80 |
| HC52 | Vollbetrieb 71 Tage | 2556,34 | 6347,60 | 0,25% | 5939,20 | 93,57 | 408,40 | 6,43 |
Staubrückgewinnungspotenzial
Während des Testlaufs sammelte das System durchschnittlich 2,48 kg Staub pro Tonne zerkleinerten Ferrochroms und 13,63 kg Staub pro Tonne verarbeiteten Dolomitkalks. Die vom System gesammelte Staubmenge ist direkt verknüpft mit der Anzahl der Beladungen im Legierungssystem und den Eigenschaften des verarbeiteten Legierungsmittels.
Das Staubrückgewinnungspotenzial von Ferrochrom wurde auf monatlicher und jährlicher Basis untersucht, indem der historische Legierungsverbrauch von 2022–2025 und die im Versuch ermittelte durchschnittliche Staubrückgewinnungsquote pro verarbeiteter Legierungstonne herangezogen wurden.
Basierend auf Extrapolationen kann das System im kontinuierlichen Produktionseinsatz etwa 8,2 Tonnen pro Monat und 98,45 Tonnen Ferrochrom-Staub pro Jahr sammeln. Dies zeigt, dass die Staubrückgewinnung einen quantitativ signifikanten Nebenstrom darstellt im Vergleich zu einer Situation, in der Staub unkontrolliert in Prozessbereichen verbleibt oder in zentrale Filtrationssysteme geleitet wird.
Zum Vergleich: Die Sammelvolumina des alten zentralisierten Filtrationssystems lagen im Durchschnitt bei 11,79 Tonnen pro Monat (2025), wobei festgestellt wurde, dass diese neben dem neuen System auf einer normalen Auslastung verbleiben.
Basierend auf dem Testlauf betrug der Anteil des gesammelten Staubs durchschnittlich 0,25 % der Gesamtmasse des gesammelten Legierungsmittels (Ferrochrom) bzw. 0,32 kg pro Tonne produziertem Stahl. Den Ergebnissen zufolge bildet die Staubrückgewinnung des Filtrabit-Systems einen wiederkehrenden und vorhersagbaren Materialfluss in der kontinuierlichen Produktion. Seine Größenordnung kann basierend auf den während des Testlaufs erzielten Messergebnissen zuverlässig abgeschätzt werden.
Geschätztes jährliches Staubvolumen basierend auf dem Legierungsverbrauch:
| Jahr | Geschätzter gesammelter Staub (Tonnen / Jahr) |
| 2025 | 142,96 |
| 2024 | 79,84 |
| 2023 | 65,68 |
| 2022 | 105,33 |
| Im Durchschnitt | 98,45 |
Materialsubstitutionswert des gesammelten Staubs als Chrom
Der wirtschaftliche Wert des gesammelten Staubs wurde basierend auf dem im Material enthaltenen Chrom bestimmt. Gemäß den zuvor vorgestellten technischen Ergebnissen beträgt die geschätzte durchschnittliche jährliche Akkumulation von Ferrochrom-Staub etwa 98,45 Tonnen, wovon 6,43 % die Feinfraktion sind, die aufgrund mangelnder Eignung für die Rückführung in den Prozess aus der Bewertung ausgeschlossen wurde. Es verbleiben etwa 92,12 Tonnen nutzbarer Staub pro Jahr.
Der Chromgehalt des nutzbaren Staubs wurde basierend auf einer im Labor von Outokumpu durchgeführten Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) mit durchschnittlich 32 % bestimmt, was jährlich etwa 29,5 Tonnen reinem Chrom entspricht.
Der Materialsubstitutionswert wurde basierend auf den in der Literaturrecherche vorgestellten allgemeinen Marktpreisen für Ferrochrom bestimmt, wobei der Preis für Ferrochrom mit 50 % Chrom typischerweise zwischen 1.500 und 2.000 €/t liegt. Diese Preisspanne wurde als Referenzwert verwendet, der dann basierend auf dem Chromgehalt des gesammelten Staubs skaliert wurde.
Unter Anwendung dieser Berechnungsmethode liegt der berechnete Substitutionswert des im gesammelten Staub enthaltenen Chroms in einer Größenordnung von etwa 88.000 bis 118.000 Euro pro Jahr, abhängig vom verwendeten Preisniveau. Der Wert ist als indikativ zu betrachten und stellt keinen realisierten Verkaufspreis dar, sondern das Potenzial des Materialersatzwertes im Schmelzprozess.
Vermeidung von Abfallmanagementkosten und indirekte Einsparungen
Die wirtschaftliche Bedeutung des gesammelten Staubs setzt sich aus dem Materialsubstitutionswert sowie Änderungen in der Staubhandhabungskette zusammen. Wenn Staub gezielt gesammelt und als nutzbarer Materialfluss in die Schmelzprozesse geleitet wird, reduzieren sich die Kosten im Zusammenhang mit dem Abfallmanagement direkt.
Die im Stahlschmelzwerk entstehenden Stäube werden in mehrere Fraktionen unterteilt. Ein Teil des Staubs, der sich in den Außenbereichen ansammelte, wurde schließlich zu Saugabfall, ein Teil wird mit den Rauchgasstäuben zur weiteren Verarbeitung transportiert, und ein Teil landete im alten Legierungssystem und schließlich als Deponieabfall. Diese Abfallströme beinhalten verschiedene Handhabungs- und Transportstufen, die einen direkten Kostenfaktor darstellen.
Mit seiner recycelbaren Grobfraktion schafft das Filtrabit-System die Möglichkeit, die Abfallmanagementkosten zu senken. Der gesammelte Staub wird aus einer bestimmten Abfallfraktions-Handhabungskette entfernt, deren Kosten mehrere hundert Euro pro Tonne betragen können. Es ist unmöglich, einen endgültigen exakten Preis zu bestimmen.
Zusammenfassung der Investitionsrechnung
Basierend auf dem Testzeitraum werden die Energiekosten auf etwa 120 €/Monat geschätzt.
Die Kapitalwertanalyse (Net Present Value, NPV) zeigt, dass die Rentabilität der Investition in Situationen realisiert wird, in denen die gesammelte Fraktion im Prozess oder einer anderen Materialkreislauflösung genutzt werden kann und externe Staubhandhabungskosten als Einsparungen realisiert werden.
In der Lebenszykluskostenanalyse (Life Cycle Cost, LCC) ist die Kostenstruktur des Systems leicht vorhersehbar, da sie hauptsächlich aus einer festen monatlichen Leasinggebühr und dem Energieverbrauch besteht. Der Anteil der variablen Kosten an den Gesamtkosten ist relativ gering, was die wirtschaftliche Unsicherheit verringert.
HSEQ
Bei der Feldarbeit im Stahlschmelzwerk, insbesondere in der Nähe von Legierungssystemen, können Arbeiter metallhaltigen Stäuben ausgesetzt sein, falls die persönliche Schutzausrüstung versagt. Insbesondere bei chromhaltigen Stäuben steht die arbeitssicherheitstechnische Perspektive im Mittelpunkt, da der Staub gesundheitsschädliche Verbindungen wie sechswertiges Chrom (Cr VI) enthalten kann.
Die gezielte Staubabsaugung im Legierungssystem beeinflusst direkt das Vorhandensein von Staub in der Arbeitsumgebung und reduziert die Menge an chromhaltigem Staub in der unmittelbaren Nähe des Prozesses. Dieser Effekt wird in dieser Arbeit nicht auf Massenbasis quantifiziert.
Bedeutung der Ergebnisse
Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass ein modulares Staubfiltrationssystem das Management von im Legierungssystem entstehendem Staub sowohl aus technischer als auch aus funktionaler Perspektive beeinflussen kann. Die im Testeinsatz des Filtrabit DC401-Systems erreichten Abscheidegrade und die gesammelten Staubmengen stützen die Ansicht, dass die Filtrabit-Technologie für die lokale und gezielte Staubabsaugung beim Management diffuser Emissionen im Zusammenhang mit Legierungsmitteln geeignet ist.
Insgesamt stützen die Ergebnisse die Forschungshypothese, dass eine modulare Staubabsaugungslösung als technisch und funktional gerechtfertigter Teil eines modernen Staubmanagements in der Stahlindustrie dienen kann. Basierend auf dem Testlauf ist das Filtrabit DC401-System eine wirtschaftlich gerechtfertigte Investition.
Materialwirtschaftliche Untersuchung
Es wurden signifikante Unterschiede zwischen den gesammelten Fraktionen sowohl in der chemischen Zusammensetzung als auch in der Korngröße beobachtet. Dies beweist das Versprechen des Herstellers hinsichtlich der Fähigkeit des Filtrabit-Systems, mithilfe des patentierten Abscheidekerns unterschiedliche Fraktionen zu trennen. Die Fähigkeit, Staubfraktionen auf diese Weise mechanisch zu trennen, schafft viele neue Möglichkeiten für den vorteilhaften Einsatz des Geräts. Die technische Trennkapazität des Geräts unterscheidet sich stark von Lösungen, die traditionell in der Literatur verglichen werden.
Die Bedeutung der Studie für die Materialwirtschaft staubiger Fraktionen beschränkt sich nicht nur auf den in der Studie verwendeten Ferrochrom-Staub. Die Ergebnisse liefern grundlegende Informationen über das Verhalten metallhaltiger, aber kalkhaltiger Staubfraktionen im Filtrabit-Staubabscheidesystem. Diese Informationen sind in geplanten Folgeexperimenten für andere metallhaltige Stäube, wie Rauchgasstäube, anwendbar. Die Ergebnisse der Studie dienen als Ausgangspunkt für nachfolgende Experimente zur Förderung der Kreislaufwirtschaft.
Wirtschaftliche Untersuchung und Einschränkungen
Die Rentabilität setzt sich primär aus zwei Faktoren zusammen: vermiedene Recycling- und Handhabungskosten sowie der Recyclingwert des rückgewonnenen Materials. Ohne Materialverwertung wird der Netto-Cashflow des Systems allein auf Basis der Betriebskosten nicht positiv. Das Recyclingpotenzial wendet den Netto-Cashflow ins Positive. Die wirtschaftliche Rechtfertigung des Systems ist an den Metallgehalt des gesammelten Materials und dessen Substitutionswert als in den Prozess zurückgeführtes Legierungsmittel gebunden.
Detaillierte Kosten- oder Wertdaten werden in der Untersuchung nicht präsentiert, da sie vertrauliche Informationen im Zusammenhang mit der Produktion enthalten. Darüber hinaus wurden HSEQ-Vorteile, wie das Management der Staubkonzentration in der Arbeitsumgebung, die Prozesssauberkeit und das Risikomanagement, nicht in monetären Begriffen quantifiziert. Diese Faktoren können jedoch insbesondere langfristig einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtnutzen haben.
Umwelt- und regulatorische Perspektive
Basierend auf Interviews wurde beobachtet, dass die Staubigkeit im Bereich des Legierungssystems während des Testlaufs abgenommen hat, aber gleichzeitig wurden auch andere Maßnahmen zur Verbesserung der Arbeitsumgebung implementiert, weshalb die Auswirkung des Systems nicht quantitativ isoliert werden kann.
Sechswertiges Chrom, das in der Literaturrecherche diskutiert wurde, ist krebserregend und bei kleinen Partikelgrößen besonders kritisch für die Exposition über die Atemwege. In dieser Studie liegt die jährliche Menge an erfasstem reinem Chrom in einer Größenordnung von etwa 30 Tonnen, was eine signifikante Menge darstellt, die direkt am Entstehungspunkt erfasst wird. Das Filtrabit DC401-System sammelt auch Chromstäube mit kleiner Partikelgröße aus den Prozessbereichen ab und reduziert dadurch das Expositionsrisiko. Obwohl die Cr(VI)-Konzentration in dieser Arbeit nicht quantifiziert wurde, unterbricht die Staubrückgewinnung an der Quelle den potenziellen Expositionsweg, bevor sich der Staub in die Arbeitsbereiche ausbreiten kann.
Die Legierungschargierung ist eine staubintensive Phase, in der ein Management diffuser Stäube, das sich ausschließlich auf ein zentralisiertes System verlässt, kein voll wirksames Mittel ist. Eine modulare Lösung ermöglicht ein besseres Management diffuser Stäube an der Hauptquelle, indem sie die breitere allgemeine Belüftung unterstützt.
Schlussfolgerungen
Basierend auf dem Testlauf ist das Filtrabit DC401 technisch für das Staubmanagement im Legierungssystem geeignet und integriert sich ohne Produktionsstörungen in den bestehenden Prozess. Das System trennt Staub in zwei Fraktionen, von denen die gröbere einen signifikanten Chromgehalt aufweist und einen potenziellen Materialfluss zur Rückführung in den Prozess bildet. Die technische Leistung entspricht den Anforderungen der Anwendung.
Aus ökologischer Sicht zielt das System auf einen signifikanten Entstehungspunkt von Chromstaub ab. Im Jahr 2024 betrugen die Partikelemissionen des Schmelzwerks 13 Tonnen, wovon der Anteil von Chrom 291 kg betrug. Eine gezielte Staubabsaugung reduziert die Menge des im Legierungssystem entstehenden metallhaltigen Staubs, der andernfalls als diffuse Emissionen und Abfallströme enden würde. Die Lösung unterstützt die Bereitschaft des Werks, chromhaltige Partikelemissionen zu managen und die strenger werdenden BAT-Anforderungen (Best Available Techniques) zu erfüllen, indem jährlich 30 Tonnen Chromstaub gesammelt werden, wovon – basierend auf der Literatur – 42–180 kg krebserregendes sechswertiges Chrom sind. Die gemessene Reduzierung diffuser Staubemissionen unterstützt die Erfüllung umweltrechtlicher Anforderungen und stärkt die Emissionskontrolle im Legierungssystem.