DE69404323T2

DE69404323T2 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung der menge der aus kraftstofflagertanks entweichenden dämpfe

Info

Publication number: DE69404323T2
Application number: DE69404323T
Authority: DE
Inventors: Seifollah Nanaji; Kenneth Pope; Richard Sobota
Original assignee: Gilbarco Inc
Current assignee: Gilbarco Inc
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1994-11-16
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2014-11-17
Also published as: US5464466A; DK0726875T3; AU677475B2; CA2175999C; ATE155437T1; FI962084A0; WO1995013984A1; AU1032295A; EP0726875A1; CA2175999A1; DE69404323D1; FI962084A; EP0726875B1; NZ276160A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Treibstoffabgabesystem und ein Verfahren zum Reduzieren des Austrags von Kohlenwasserstoffschadstoffen aus Treibstoffspeichertanks, und insbesondere ein Drucksteuerungssystem für Treibstoffspeichertanks.
Wenn Treibstoff durch ein konventionelles Benzinabgabegerät, wie beispielsweise der Abgabedüse einer Kraftstoffabgabevorrichtung, einem Treibstoffreservoir, wie beispielsweise einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs, hinzugefügt wird, wird Kraftstoffdampf aus dem Kraftstofftank verdrängt. Wenn der Dampf nicht in irgendeiner Weise abgefangen wird, wird er in die Atmosphäre abgegeben. Solche Abgaben von Treibstoffdampf bilden als Folge der großen Anzahl von Kraftfahrzeugbetankungen eine signifikante Gefahr für die Umwelt, insbesondere in stark besiedelten Gebieten. Abgaben dieser Dämpfe, die aus flüchtigen organischen Verbindungen (VOC's) zusammengesetzt sind, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, bilden gegenwärtig den Gegenstand bedeutender und zunehmender Vorschriften.
Bei einem Versuch zum Schutz vor der Abgabe von flüchtigen organischen Verbindungen an die Umwelt sind mehrere Systeme konstruiert worden, um die Dämpfe abzufangen, die während des Betankens aus Kraftfahrzeugtreibstofftanks verdrängt werden. Ein solches System, das als "Balance"-System bezeichnet ist, sieht eine Gummihaube vor, welche die Abgabedüse umgibt und eine Dichtung rund um ein Kraftfahrzeugtreibstofftankbefüllungsrohr bildet. Dieses System ist auf die Volumenverdrängung des Dampfes durch das Fluid angewiesen, das durch die Düse in den Kraftstofftank übertragen wird, um den Dampf durch die Haube, durch eine Verbindungsrohrleitung, und zurück in einen Treibstoffspeichertank zu drängen. Es wird eine sperrige und unhandliche Düse benötigt, um die notwendige Abdichtung an dem Befüllungsrohr zu bewirken. Wenn die Abdichtung nicht vollständig dicht ist, dann kann Dampf in die Atmosphäre austreten, anstatt in den Speichertank zurückgeführt zu werden.
Um die Notwendigkeit fur eine unhandliche Abgabedüsenkonstruktion zu lindern und den Abfangwirkungsgrad der Abgabevorrichtung zu erhöhen, sind Systeme konstruiert worden, worin das Abfangen des Dampfes an der Düse durch eine Vakuumpumpe unterstützt wird. Ein Beispiel für solch ein System wird in dem US-Patent 5,040,577 von Pope offenbart, wobei deren Offenbarung hier als Referenz miteingeschlossen wird. Ein Problem, das bei einem pumpenunterstützten System entstehen kann, ist, daß die Pumpe die Tendenz besitzen kann, den Treibstoffspeichertank und das zugeordnete Rohrsystem unter Druck zu setzen. Wenn das Volumen des Dampfes, der an der Düse abgefangen und durch die Dampfpumpe in den Treibstoffspeichertank gefördert wird, größer ist, als das Volumen des flüssigen Treibstoffes, der von der Düse abgegeben wird, wird sich der Druck in dem Treibstoffspeichertank erhöhen. Bei der gängigen Technik von dampfpumpenunterstützten Dampfrückgewinnungssystemen, die haubenlose Düsen verwenden, wird ein Verhältnis von rückgewonnenem Dampf zu geliefertem Produkt von größer als 1:1 benötigt, um den erforderlichen Rückgewinnungswirkungsgrad an dem Befüllungsrohr zu erreichen.
Sowohl die Druckerhöhung als auch die Druckverminderung in dem Treibstoffspeichertank kann nachteilige Effekte bewirken. Wenn ein Treibstoffspeichertank einen internen Druck besitzt, der größer als der Umgebungsdruck ist, besteht für den Treibstoff und/oder Dampf eine erhöhte Tendenz, durch Spalten in dem Rohrsystem oder dem Tank auszutreten. Da viele Tanks unter dem Boden angeordnet sind, ist es schwierig, die Lecks sowohl zu detektieren als auch zu reparieren. Wenn der Treibstoffspeichertank einem starken Überdruck ausgesetzt wird, besteht die Gefahr, daß die strukturelle Integrität des Tanks bedroht werden kann und sogar eine Gefahr eines katastrophalen Bruchs der Treibstoffeinhüllung. Zusätzlich verringert die Bildung von Überdruck in dem Treibstoffspeichertank den Wirkungsgrad der vakuumunterstützten Pumpe durch das Erzeugen einer großeren Druckdifferenz zwischen der Düse und dem Treibstoffspeichertank.
Um die vorhergehenden Probleme der Bildung von Überdruck zu lösen, sind einige Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, um Treibstoffspeichertanks zu entlüften. Es ist verständlich, daß ein großer Anteil des Gases, das von dem Treibstoffspeichertank entlüftet wird, aus flüchtigen organischen Verbindungen besteht. Es existieren Vorschriften und diese werden wahrscheinlich noch verschärft, welche die Menge an VOC's begrenzen, die durch solche Entlüftungen in die Atmosphäre ausgestoßen werden kann. Einige Techniken sind entwickelt worden, um diesen Regelungen gerecht zu werden. Eine solche Technik wird in dem US-Patent Nr. 4,118,170 von Hirt offenbart. Die Erfindung von Hirt hat das Verbrennen des entlüfteten Dampfes zur Folge. Die Gefahr dieser Technik ist offensichtlich, und die Technik ist gegenwärtig in vielen Gebieten nicht erlaubt. Eine alternative Technik besteht darin, den Dampf zu kühlen und den kondensierten Dampf als Flüssigkeit in den Tank zurückzuführen. Diese Technik ist relativ teuer, da sie eine Kühlvorrichtung benötigt.
Die internationale Patentanmeldung mit der Veröffentlichsnummer WO 9322031 offenbart ein alternatives System, das versucht, die obigen Probleme zu lösen. Hier wird ein Gastrennungsdiaphragma in der Dampfrückgewinnungsleitung einer Abgabevorrichtung positioniert, wodurch ein angereichertes Gemisch von flüchtigen organischen Verbindungen auf der Durchdringungsseite des Diaphragmas erhalten wird, wobei dieses angereicherte Gemisch in einen Speichertank zurückgeführt wird, während der abgereicherte Rückstand einem Entlüftungsrohr des Tanks zugeführt wird. Ein ähnliches System wird auch in der deutschen Patentanmeldung, Nummer DE 3806107 offenbart.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Treibstoffabgabesystem und auf ein Verfahren zum Beibehalten eines gewünschten Drucks innerhalb eines oder mehrerer Treibstoffspeichertanks gerichtet, während die Anzahl oder die Menge von Schadstoffen, die von dem oder den Treibstoffspeichertanks ausströmt, minimiert oder eliminiert wird.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Treibstoffabgabesystem vorgesehen, mit einem Treibstoffspeichertank, von dem Treibstoff an einen Behälter abgegeben wird und einem Dampfrückgewinnungsmittel zum Rückführen von Dämpfen zu dem Treibstoffspeichertank, die aus dem Behälter durch den abgegebenen Treibstoff verdrängt werden, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Gerät zum Reduzieren von Kohlenwasserstoffemissionen von dem Treibstoffspeichertank umfaßt, wobei das Gerät eine Kammer umfaßt, mit: einem Einlaß zum Aufnehmen von Gasen von dem Tank; einem ersten Auslaß; einem Filterelement, das eine Membran mit einer Eigenschaft besitzt, die ermöglicht, daß Kohlenwasserstoffdämpfe durch sie hindurchdringen; und einem zweiten Auslaß, der von dem Einlaß und dem ersten Auslaß durch die Membran abgeteilt ist, um Dämpfe aufzunehmen, die durch die Membran durchgedrungen sind.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung reduziert die Quantität der in die Atmosphäre emittierten Schadstoffe dadurch, daß ein großer Anteil der Dämpfe, die ansonsten in die Atmosphäre emittiert würden, durch die Membran, vorzugsweise eine fraktionierte Membran, entzogen wird. Da die Membran jedoch in dem Entlüftungsrohr von dem Tank angeordnet ist, ist es sowohl relativ einfach, eine existierende Einrichtung mit solch einem System nachzurüsten, und es muß auch nur ein kleiner Anteil des Dampfes relativ zu dem, der durch das Dampfrückgewinnungssystem rückgewonnen wurde, gefiltert werden, und es kann tatsächlich nur notwendig werden, den Tank gelegentlich an die Atmosphäre zu entlüften, um irgendein anwachsendes Ungleichgewicht zwischen der Quantität von abgegebenem Treibstoff und der Quantität von rückgewonnener Luft / Dampf freizugeben.
Vorzugsweise wird die Entlüftung an die Atmosphäre mit einem steuerbaren Entlastungsventil, wie beispielsweise einem Magnetspulenventil geschaffen. Dies wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Druck in dem Speichertank gesteuert, so daß das Ventil geöffnet wird, wenn der Druck einen vorbestimmten Wert überschreitet. Auf diese Weise können kleine Druckschwankungen in dem Tank toleriert werden, ohne daß eine Entlüftung an die Atmosphäre erforderlich wird, wenn aber irgendein größerer Druckanstieg auftritt, kann dieser dann durch das Ventil freigegeben werden.
Vorteilhafterweise ist auch eine Pumpe vorgesehen, um zu veranlassen, daß die Dampfkomponenten innerhalb des oben erwähnten Bereiches auf die Membran auftreffen. Dies fördert die Absorption der Dämpfe durch die Membran.
Vorteilhafterweise ist die Pumpe zwischen dem Auslaß und dem Tank angeordnet und wird durch einen Schalter gesteuert, der auf den Druck in dem Tank empfindlich ist, wobei der Schalter die Pumpe einschaltet, wenn der Druck in dem Tank eine vorbestimmte Schwelle erreicht, vorteilhafterweise bei oder unter der Schwelle, bei der sich das Steuerungsventil öffnet.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Reduzieren von Kohlenwasserstoffemissionen von einem Treibstoffspeichertank vorgesehen, wobei das Verfahren umfaßt, daß Treibstoff an einen Behälter abgegeben wird, aus dem Behälter verdrängte Dämpfe wiedergewonnen werden, und daß diese in den Tank zurückgeführt werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es ferner umfaßt, daß Gase von dem Tank an einen Einlaß einer Kammer gelangen, wobei die Kammer besitzt: einen ersten Auslaß; ein Filterelement mit einer Membran, welche die Eigenschaft besitzt, daß das Durchdringen von Kohlenwasserstoffdämpfen durch die Membran unterstützt wird; und einen zweiten Auslaß, der von dem Einlaß und dem ersten Auslaß durch die Membran abgeteilt ist, so daß Kohlenwasserstoffe, die durch die Membran übertragen werden, von dem zweiten Auslaß aufgenommen werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Entlüftungsfiltersystems in Ubereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2A eine vergrößerte Querschnittsansicht der Kammer und des Filters von Fig. 1 ist; und
Fig. 2B ein Querschnitt entlang der Linie I-I von Fig. 2A ist.
In den Zeichnungen, in denen durchwegs gleiche Bezugszeichen verwendet werden, ist das Treibstoffspeichertankentlüftungssystem 1 in Verbindung mit zwei konventionellen Untergrundtreibstoffspeichertanks 2, 3 gezeigt, die einen Treibstoff mit einem hohen bzw. niedrigen Oktangehalt enthalten. Es ist verständlich, daß das Entlüftungssystem 1 mit irgendeiner Anzahl von Speichertanks über oder unter dem Boden verwendet werden kann.
Der Treibstofftank 3 besitzt eine Dampfrückführleitung 4 zum Aufnehmen des Dampfes, der durch eine Treibstoffabgabevorrichtung 5 mit einem Mittel zum Abfangen von Treibstoffdämpfen (nicht gezeigt) rückgewonnen wurde. Die Treibstofftanks 2, 3 enthalten ferner Treibstoffzulieferungsleitungen 6, 7, um den Treibstoff an die Abgabevorrichtung 5 zu befördern. Die Entlüftungsleitung 8 ist an dem oberen Teil der Tanks 2, 3 vorgesehen und gleicht den Druck zwischen diesen aus, wobei die Rückführung aller Dämpfe an einen Tank 3 über eine Rückführleitung 4 zugelassen wird. Zusätzliche Rückführleitungen zu zusätzlichen Tanks können vorgesehen werden, werden im allgemeinen aber nicht benötigt.
Die Entlüftungsleitung 8 erstreckt sich über die Kammer 9 und das Steuerungsventil 10 zur Atmosphäre. Eine Rückführleitung 11 verbindet den unteren Abschnitt der Kammer 9 über eine Pumpe 12 mit dem Tank 3, wobei die Pumpe 12 und das Steuerungsventil 10 durch den Tankdrucksensor 13 gesteuert werden.
Zusätzlich zu der Entlüftungsleitung 8 wird jeder Tank auch über Entlüftungsleitungen 8A und 8B an die Atmosphäre entlüftet, wobei jede davon ein jeweiliges Druck- / Vakuumabgabeventil 10A und 10B besitzt, das sicherstellt, daß kein Druck oder Vakuum innerhalb des Tanks außerhalb eines vorbestimmten Bereiches auftritt. Die Gase werden im Normalbetrieb durch die Entlüftungsleitung 8 im Vorzug zu den Entlüftungsleitungen 8A oder 8B entlüftet, irgendein Vakuum aber wird wieder mit Luft aufgefüllt, die durch die Leitungen 8A oder 8B angezogen wird.
In den Fig. 2A und 2B enthält die Kammer 9 das Filterelement 14, das so positioniert ist, daß es die Kammer 9 in zwei Plenums 9A und 9B teilt. Der Dampf und die Gase, die von den Speichertanks 2 und 3 entlang der Entlüftungsleitung 8 in die Kammer eintreten, strömen durch das Filterelement 14 zu dem Ventil 10, wie durch den Pfeil 15 in Fig. 28 angezeigt ist.
Der Filter 14 umfaßt einen zylindrischen Kern 16. Die Membran 17 ist als äußerer Zylinder koaxial mit dem Kemzylinder mit einer Vielzahl von gestapelten und gebundenen dünnen Lagen ausgebildet, von denen sich jedes benachbarte Paar schließt, wodurch ein Umschlag 18 gebildet wird. Jeder Umschlag 18, der zwischen der Membran 17 und dem Kern 16 ausgebildet ist, ist mit dem Raum innerhalb des Kerns 16 durch Bohrungen 19 in dem zylindrischen Kern 16 verbunden.
Das Filterelement 14 wird durch die Öffnung 20 in die Kammer 9 eingesetzt, und wird an seiner Position durch ein mit einem Gewinde versehenen Glied 21 gehalten, wobei das Glied sowohl den Hohlraum abdichtet, als auch den zylindrischen Kern 16 in Kontakt mit dem Dichtungsring 21 hält, so daß der Kern 16 mit der Rückführleitung 11 abgedichtet wird.
Die Membran 17 kann eine fraktionierte Membran sein, die durch das GKSS-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh, Deutschland entwickelt wurde und in "Operating Experiences with Membrane Systems in Gasoline Tank Farms" beschrieben wurde, die durch K. Ohlrogge in der 1991 9th Annual Membrane Technology/Planning Conference in Newton, Massachusetts, October 4- 6, 1996 präsentiert wurde oder in "Volatile Organic Compound Control Technology by Means of Membranes", das durch K. Ohlrogge bei der 1993 11th Annual Membrane Technologylseparation Planning Cbnference in Newton, Massachusetts October 11-13, 1993 präsentiert wurde. Die Membran 17 weist die Eigenschaft auf, daß sie für ausgewählte Schadstoffe, einschließlich Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Kraftstoffdampf, durchdringbar ist, während sie für Luft relativ undurchdringbar ist.
Im Betrieb funktioniert das Entlüftungssystem 1 wie folgt. Wenn Treibstoff über eine Treibstoffabgabevorrichtung 5 abgegeben wird, wird ein gegebenes Flüssigkeitsvolumen VL von entweder dem Tank 2 oder 3 abgelassen. Gleichzeitig mit dem Ablassen des flüssigen Treibstoffs wird ein gegebenes Volumen an Treibstoffdampf, VV, mittels einer Dampfpumpe (nicht gezeigt) durch die Dampfrückführleitung 4 hindurch in den Tank 3 gedrängt. Typischerweise ist das Verhältnis von VV zu VL größer als 1:1, womit der Druck in den Tanks leicht größer als der umgebende atmosphärische Druck wird. Es ist auch möglich, daß das Verhältnis von VV zu VL kleiner als 1:1 wird. Dies würde Tankdrücke bewirken, die geringer als der atmosphärische sind.
Normalerweise bleibt das Ventil 10 geschlossen. Wenn der Druck in den Tanks 2, 3 jedoch einen gegebenen Druck erreicht, bewirkt der Druckwandler 13 den Betrieb der Pumpe 12. Die Betätigung der Pumpe 12 erzeugt einen Dampfstrom von dem Tank 3, durch die Entlüftungsleitung 8, durch die Kammer 9, und die Rückführleitung 11 in den Tank 3. Wenn der Dampf durch die Kammer 9 strömt, trifft er auf die Membran 17. Wenn der Treibstoffdarnpf auf die Membran 17 auftrifft, unterstützt der Druckgradient über die Membran das Hindurchdringen der Dämpfe durch die Membran, wobei "gereinigte" Luft in dem Plenum 98 zurückgelassen wird. Kurz nachdem der Betrieb der Pumpe beginnt, öffnet sich das Ventil 10, wobei diese "gereinigte" Luft an die Atmosphäre freigegeben wird. Die erhöhte Konzentration der rückgeführten Dämpfe kann die Kondensation des Dampfes innerhalb des Tanks 3 unterstützen, bis das Gleichgewicht erreicht ist.
Wenn der Tankdruck unter den atmosphärischen Druck abfällt, dann wird Luft über die Druckvakuumabgabeventile 10A und 10B angezogen.
Bei bestimmten Anwendungen kann es vorteilhaft sein, eine Pumpe 22 aufzunehmen, die auch durch den Drucksensor 13 gesteuert wird, um das Abziehen der Gase weg von dem Tank zu unterstützen.
Bestimmte Modifikationen und Verbesserungen sind für Fachleute durch das Lesen der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich. Es sollte verstanden werden, daß solche Modifikationen und Verbesserungen vollständig innerhalb des Rahmens der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Treibstoffabgabesystem mit: einem Treibstoffspeichertank (3), von dem Treibstoff an einen Behälter abgegeben wird; und einem Darnpfrückgewinnungsmittel zum Rückführen von Dämpfen zu dem Treibstoffspeichertank, die aus dem Behälter durch den abgegebenen Treibstoff verdrängt werden, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner ein Gerät (1) zum Reduzieren von Kohlenwasserstoffemissionen von dem Treibstoffspeichertank (3) umfaßt, wobei das Gerät eine Kammer (9) umfaßt mit:

einem Einlaß zum Aufnehmen von Gasen und Dämpfen von dem Tank (3);

einem ersten Auslaß;

einem Filterelement (14), das eine Membran (17) mit einer Eigenschaft besitzt, die ermöglicht, daß Kohlenwasserstoffdämpfe durch sie hindurchdringen; und einem zweiten Auslaß (11), der von dem Einlaß und dem ersten Auslaß durch die Membran (17) abgeteilt ist, um Dämpfe aufzunehmen, die durch die Membran (17) durchgedrungen sind.

2. System nach Anspruch 1, worin die Membran (17) in dem Filterelement (14) angeordnet ist, so daß Gase, die durch das Filterelement strömen, über die Oberfläche der Membran (17) strömen.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, worin sich das Filterelement (14) über einen Strömungspfad (15) zwischen dem Einlaß und dem ersten Auslaß erstreckt.

4. System nach Anspruch 3, worin sich das Filterelement (14) über die Kammer (9) erstreckt, so daß Gase, die von dem Einlaß zu dem ersten Auslaß strömen, durch das Filterelement (14) strömen.

5. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der erste Auslaß an die Atmosphäre entlüftet wird.

6. System nach Anspruch 5, ferner mit einem steuerbaren Ventil (10), das zwischen dem ersten Auslaß und der Atmosphäre angeschlossen ist.

7. System nach Anspruch 6, ferner mit einem Sensor (13) zum Bestimmen des Drucks in dem Tank (3) und zum Öffnen des steuerbaren Ventils, wenn der Druck eine vorbestimmte Schwelle überschreitet

8. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der zweite Auslaß (11) mit dem Tank (3) so verbunden ist, daß Dämpfe, die durch die Membran hindurchdringen, in den Tank zurückgeführt werden.

9. System nach Anspruch 8, ferner mit einer Pumpe (12), die zwischen dem zweiten Auslaß (11) und dem Tank (3) angeordnet ist, wobei die Pumpe (12) im Betrieb bewirkt, daß der Druck an dem zweiten Auslaß (11) relativ zu dem Druck an dem Einlaß abnimmt, wodurch veranlaßt wird, daß Kohlenwasserstoffdämpfe auf die Membran (17) auftreffen und durch sie hindurchdringen.

10. System nach Anspruch 9, ferner mit einem Sensor (13), um den Druck in dem Speichertank zu detektieren und um zu veranlassen, daß die Pumpe (12) betätigt wird, wenn der Druck einen vorbestimmten Wert überschreitet.

11. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Membran (17) eine Anzahl von Abschnitten umfaßt, die verschiedene Komponenten von Kohlenwasserstoffdärnpfen absorbieren und übertragen.

12. Verfahren zum Reduzieren von Kohlenwasserstoffemissionen von einem Treibstoffspeichertank (3), wobei das Verfahren umfaßt, daß Treibstoff an einen Behälter abgegeben wird, aus dem Behälter verdrängte Dämpfe wiedergewonnen werden, und daß diese in den Tank zurückgeführt werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es ferner umfaßt, daß Gase von dem Tank an einen Einlaß einer Kammer gelangen, wobei die Kammer besitzt:

einen ersten Auslaß;

ein Filterelement mit einer Membran, welche die Eigenschaft besitzt, daß das Durchdringen von Kohlenwasserstoffdämpfen durch die Membran unterstützt wird; und

einen zweiten Auslaß, der von dem Einlaß und dem ersten Auslaß durch die Membran abgeteilt ist, so daß Kohlenwasserstoffe, die durch die Membran übertragen werden, von dem zweiten Auslaß aufgenommen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend ein Zurückpumpen von Kohlenwasserstoffen von dem zweiten Auslaß in den Tank, um so zu veranlassen, daß Dampf durch die Membran hindurchdringt.