CN102985514A - 含碳材料的溶解以及转化成烃和其他有用的产物 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种由含碳材料生产有用的产物如烃和其他可用作燃料的分子的方法。该方法包括，从沉积层获得含碳材料如煤，单独或组合地用一种或多种化学品，包括乙酸、乙酸的盐、乙酸的酯、氢氧化物和过氧化物，处理该含碳材料以溶解该材料为进一步加工如生物转化做准备，从而生产有用的产物，或者，使用上述化学品将该含碳材料溶解于地层中，将所述溶解的材料从所述地层中移除并将其生物转化以生产有用的产物，或者，在地层中使用上述化学品溶解所述材料并生物转化至少一部分溶解的材料，然后从所述地层中回收有用的产物。

Description

含碳材料的溶解以及转化成烃和其他有用的产物
本申请要求2010年4月21日提交的美国临时申请61/342,916和2010年8月31日提交的美国临时申请61/378,590的优先权，其公开的内容以参阅的方式全文并入于此。
技术领域
本发明涉及由含碳材料，例如煤，生产有用的产物如甲烷、二氧化碳、气态烃和液态烃以及其他有价值的产物的领域，其通过煤的溶液开采，将化学品直接引入到地层中，和/或用进一步的处理提取煤，以生产所述的化学品，包括使用厌氧发酵如使用非本土的(non-indigenous)的微生物菌群。
背景技术
有机溶剂例如二硫化碳、四氢呋喃、吡啶、四氰乙烯、N-甲基-2-吡咯烷酮已经被分别和组合地用于提取例如煤成分。用吡啶提取煤也已经完全用于煤工业中。
当生物质被埋藏并在越来越缺氧的条件下经历压力和温度时，该生物质转化成泥煤，然后转化成低等级煤(称作褐煤)。褐煤包含了部分煤化的植物材料，包括木质素。随着煤化作用的增加，煤中的氧含量降低，碳含量增加，木质素含量降低。
煤在沉积层本身中溶解也是有利的。例如，根据美国地质调查，美国含有煤的盆地包含了大于6万亿吨的煤沉积层。由于技术和经济的限制，大部分这些煤沉积层不能开采，但是这些煤沉积层中存储的能量超过了美国在2000-年的时期内每年的原油消耗。经济和环境上可行地回收和使用一些这样存储的能量能够降低美国对于外国石油和天然气的依赖，改善美国的经济并提供改善的美国国家安全。
这些煤沉积层大约一半是褐煤或者次烟煤等级的，并且位于地面下不到3000英尺的深度处。这些低等级煤沉积层在几个地区是经由露天矿来开采的，在那里移走表面覆土，开采煤，然后将表面覆土放回原处。这些沉积层中的煤具有比烟煤低的Btu含量(通常是5000-9000Btu/磅)和低的市场价值(通常每吨低于$11)。这些煤沉积层低的Btu含量和低的市场价值使得它们的回收不经济。此外，许多的这些煤沉积层是地质学分布的，因而常规的地面或地下开采是不切实际的。
美国专利No.3,990,513在此引入作为参考，其公开了一种煤的溶液开采方法。该专利公开了使用选自菲、荧蒽、芘和苯并菲的溶剂，并且加热到250°C-400°C的温度。
美国专利No.4,501,445在此引入作为参考，其公开了一种原位氢化含碳材料如煤、油页岩和重油沉积层的方法。该专利公开了一种方法，用于对地层进行水力破碎并密封，随后将液体溶剂流和气态氢流注入到所述破碎的地层中，进行反应并将煤转化成较轻的氢化产物。
美国专利No.5,120,430在此引入作为参考，其公开了一种方法，用于通过使用氢氧化钾和所选择的溶剂来提取煤的有机物部分。
同样相关的是共同未决的2010年12月10日提交的美国专利申请No.12/965,285，标题为“将煤生物气化为甲烷和其他有用产物(Biogasification Of Coal To Methane and Other Useful Products)”。
先前的研究已经测试了一定范围的与煤进行反应的化学化合物，特别是用于对煤进行增溶。还对用于煤的液化的化学品和方法进行了研究。主要集中在煤向烃化合物的化学转化上，所述烃化合物被直接用作燃料或化学产品或用于生产其他化学品或燃料的化学原料。因此煤可以容易地溶解到含碳材料中，该含碳材料可以通过产甲烷菌菌群代谢转化成甲烷、二氧化碳和其他烃。
当生物质经历煤化过程时，细菌和真菌会被夹带或进入生物质沉积层中，并且能够将生物质或褐煤或煤中的碳转化成甲烷、二氧化碳和其他产物。所述煤的转化是一种缓慢的和不完全的过程。
本发明通过提供处理煤和煤沉积层以溶解煤的方法解决上述问题，在一个优选的实施方案中，处理煤以使得煤更容易通过细菌和真菌转化成甲烷和其他有用的产物。这样的溶解是在沉积层本身进行的(称作原位溶解)或在从沉积层中移除之后，在煤本身上进行的(称作非原位溶解)。
发明概述
在一个方面，本发明涉及一种由含碳材料生产有用产物的方法。该方法包括：
(i)将来自沉积层的含碳材料如煤与一种或多种化学品接触，以溶解该材料为进一步加工如生物转化做准备，从而生产有用的产物，或
(ii)使用化学品将该含碳材料溶解于地层中，从所述地层中移除该溶解的材料，并且将其生物转化以生产有用的产物，或
(iii)通过加入化学品溶解地层中的含碳材料，然后将至少一部分溶解的材料在其仍然处于地层中时用内源或外源添加剂进行生物转化，从而生产可从所述地层中回收的有用产物。
在分别的实施方案中，该增溶化学品包括多达4个碳原子的有机酸(例如羧酸)或苯甲酸，或者这些酸任意的酯或盐。优选的实施方案使用乙酸的酯。
可以使用钻井或钻井孔将化学品和其他试剂加入到地层中，然后，所述钻井或钻井孔也可以用于移除溶解的材料或溶解的和生物转化的材料。
本发明的另一个方面涉及一种组合物，其包含溶解的含碳材料的衍生物，然后该衍生物可以用于生物转化成烃如甲烷，以及其他能够用作能量工业中燃料的衍生物。
用于实施本发明的地质地层包括含有有用含碳材料的地层如煤层、页岩和油砂。
本发明的方法包括这样的过程，其中将化学品加热，然后注入到含有煤的地层中以溶解其中所含有的煤。在另一实例中，这样的注入与声波处理结合进行以溶解煤。这样的方法还可以用于首先将含碳材料从地质地层中开采出来，然后对它进行处理。
在该含碳材料为煤的情况下，这样的煤优选含有最大量固定碳和最小量水分和挥发性物质的煤种类。
附图说明
图1是烃床的地下沉积层的代表性平面示意图，其用于解释本发明的某些原理。ISBC方法包括注入井和生产井的“图案”，和任选的包括另外的钻井，其可以用于监控所述方法—记录压力、温度和流动数据，并对地层流体进行取样。监控井的数目和位置将根据多种因素仔细确定。
图2是图1的一部分沉积层和相关地域的等距视图。为了将含碳材料优选煤原位生物转化成甲烷(“ISBC”)，必须在煤层中钻入一系列的钻井孔，并且在煤层和钻井孔之间建立液压连接。然后装备每个注入钻井孔使得水、营养物和化学品能够从地面注入到煤层中，并且具有能够测定和记录数据如压力、温度和流速的装置。然后装备每个生产井，以便能够生产水和产生的气体，并且具有能够测定和记录生产的流体和气体的数据如压力、温度和流速的装置。在地面设施中提供另外的装置，其能够对注入和生产的流体和气体进行取样，用于一定范围的分析，该分析提供了关于流体中的微生物群落、流体组成和流体中营养物组成的数据。
图3a、3b和3c是所述方法的等距示意图，其经由使用从地面延伸到含碳材料沉积层的两个或多个钻井孔，用于溶解含碳材料和回收所述溶解的含碳材料。平面图和所示的剖面图表示了ISBC方法。将水、营养物和化学品注入到注入井中，并且由探边生产井(offsetproducing well)生产水和所产生的气体。将在存储库中流动的流体的量和方向进行优化，用于将营养物移动到煤层中，微生物、营养物和所产生的气体在煤层中的移动，以及水和气体的生产。在存储库中任何点上的煤层压力的调整是通过调整注入井和生产井中的注入和生产压力来进行的。
图4所示为在Falcon离心管测试中，通过在一系列的步骤中使用增溶化学品从来自保德河(Powder River)流域煤源的颗粒中提取的可溶性碳的量。
图5所示为在Falcon离心管测试中，通过在一系列的步骤中使用增溶化学品从来自路易斯安娜次烟煤源的颗粒中提取的可溶性碳的量。
图6所示为在流量管测试中，通过在一系列的步骤中使用增溶化学品从煤中提取的可溶性碳的量。
图7是用于将溶解的含碳材料生物转化成甲烷、二氧化碳和其他有用气体的厌氧发酵方法的工艺流程图。
图8所示为在分批模式运行的二级厌氧发酵系统中，由溶解的保德河流域煤生产的甲烷量。甲烷生产的单位是基于每吨等量溶解的输入煤，以标准立方英尺来表示的。
定义
如本文所用，“含碳材料”是指含有碳元素的材料。其可以包括烃和其他材料如煤，特别是包括富含含碳化合物如饱和及不饱和烃的天然存在的沉积层。该材料的一个实例是煤。
如本文所用，“煤”是指从褐煤到无烟煤的含碳燃料系列中的任何一种。该系列中的成员包含的水分、挥发性物质和固定碳的相对含量彼此不同。煤主要由碳、氢和携带水组成，主要是具有许多碳双键的大分子的形式。低等级煤沉积层主要由煤和水组成。能量可以来源于含碳分子如煤，或者来源于煤分子溶解的含碳分子的燃烧。在煤中，最有用的是含有最大量的固定碳和最小量的水分和挥发性物质的煤。碳含量最低的是褐煤或者褐色的煤，然后逐渐升高的是次烟煤或黑色褐煤(比褐煤的等级稍高)、烟煤、半烟煤(高级烟煤)、半无烟煤(低级无烟煤)和无烟煤。
如本文所用，术语“溶解”或“溶解的”是指一个过程，由此通过使用一种或多种能裂解煤分子的碳键和其他化学键的化学品将煤或其他含碳材料所包含的非常大的烃分子分解成非常小的烃分子或化合物，并且与该化学品反应形成更小的烃分子，然后经生物转化成甲烷、二氧化碳和其他有用的气体。在本发明中溶解表示将固体含碳材料如煤转化成处于水溶液中的碳形式，更具体地表示可溶于水并能够通过0.45微米过滤器的含碳化合物形式。
如本文所用，术语“羧酸的盐或酯”表示这样的酸的共轭碱，其中离子是通过该酸的脱质子化而形成。对于乙酸来说，通式是CH3CO2R，其中R是有机基团。
如本文所用，术语“乙酸盐”是指这样的盐，其中乙酸的一个或多个氢原子被碱的一个或多个阳离子取代，产生了含有负电荷有机离子CH3COO-的化合物。所述的术语也称作乙酸的酯。根据本发明，所述的乙酸的盐或酯任选地与水混合。在一个优选的实施方案中，将乙酸的盐或酯用于与水混合。应理解，当这样的乙酸盐用水溶剂来使用时，会形成一些乙酸(取决于最终pH)，并且其将参与溶解过程。在本发明中，类似的定义被理解为，其中任何其他羧酸如苯甲酸的盐被用于类似目的。
如本文所用，术语“芳醇”表示一种式ROH的有机化合物，其中R是取代的或未取代的芳基，该芳基可以是单环的或稠环的。在一个实施方案中，芳基R是未取代的。在另一个实施方案中，R是用一种或多种烃基和/或-OH基团取代的。在一些实施方案中，-OH存在于芳环上，或存在于所述环的取代基上，或同时具有这两种情况。
如本文所用，短语“微生物菌群”是指含有2种或多种微生物物种或菌株的微生物培养物(或天然群落)，特别是其中每个种或菌株与其他种或菌株互利的培养物。
如本文所用，术语“有用的产物”是指由含碳材料如煤通过溶解和/或生物转化获得的化学品，且包括但不限于，有机材料如烃，例如，甲烷和其他小的有机物，以及脂肪酸，其能够用作燃料或用于燃料的生产中，以及无机材料如气体，包括氢气。
发明详述
本发明提供一种原位或非原位处理含碳材料的方法，以溶解至少一部分所述材料的内含物，并且释放其中所包含的成分，然后回收所述成分用于进一步加工成燃料和其他产生能量的材料。本发明还提供一种由该溶解的含碳材料，通过生物转化方法生产这样的有用产物的方法。
本发明的方法可以方便地原位进行(其中将材料即，化学品和/或有机体加入到带有碳的地层如煤层中，以实施本发明的方法)，或在非原位进行(其中含碳材料如煤首先从地层中移除，然后根据本发明的方法进行处理)，或所谓的煤的液体开采，如美国专利No.3,990,513所述，其在此引入作为参考，各自引入到本发明的方法中。
本发明提供一种由含碳材料生产有用产物的方法，例如生产烃如甲烷和其他能够用作燃料的分子，该方法包括：
(i)由沉积层获得含碳材料如煤，并单独地或组合地、单个地或连续地用一种或多种化学品，包括羧酸(优选乙酸)、乙酸的盐、乙酸的酯以及氢氧化物和过氧化物，处理该含碳材料以溶解所述材料为进一步加工如生物转化做准备，以生产产生能量的产物，或
(ii)使用上述化学品溶解地层中的含碳材料，从地层中移除溶解的材料，并将其生物转化以生产有用的产物如燃料，或
(iii)用上述化学品，通过将它们加入到地层中来溶解所述材料，并将至少一部分该溶解的材料在地层中进行生物转化，随后回收生物转化的产物。
在一个实施方案中，将获自地质沉积层的含碳材料如煤与一种或多种化学品如一种或多种具有多达4个碳原子的有机酸(例如羧酸)或苯甲酸，或这些酸(优选乙酸)任意的盐或酯(包括乙酸的盐和酯)，以及氢氧化物和/或过氧化物进行接触，以对该含碳材料的成分进行溶解。然后，进一步加工该溶解的成分，如通过使用微生物的一种或多种生物转化方法，来生产较小的有机分子例如烃(如甲烷)，用于生产能量、燃料等。
在另一个实施方案中，该含碳材料是在地质地层中溶解的，并且从地层中回收所形成的溶解的材料，随后通过生物转化来生产较小的有机分子，用于生产能量、燃料等。
在另一个实施方案中，溶解和生物转化均在带有碳的地层中完成，然后移除有用形式的产物用于能量生产。
根据前述的内容，该地质地层包括矿山、河床、地平面场地等，特别是富含有含碳材料的地层，例如煤层。
根据本发明，该含碳材料首先通过将该材料与一种或多种化学品接触来原位或非原位溶解，所述化学品破坏了所含分子所含有的许多化学键，由此用于对它进行溶解。将这些化学品单独地或组合地使用与含碳材料在所选择的浓度、温度和步骤进行接触，从而使溶解过程最大化。
本发明所用的增溶化学品包括过氧化物、氢氧化物、苯甲酸、C1-C4羧酸，优选脂肪酸，最优选乙酸，包括这些羧酸的任意盐或酯，优选酯如乙酸酯，其单独地、连续地或以所选择的组合和亚组合来使用。在优选的实施方案中，后者的化学品是或包括氢氧化钠、过氧化氢和/或乙酸乙酯。
在一个实施方案中，该方法包括将含碳材料(其已经从地质地层中，优选从富含有含碳材料的地层中移除)与多达4个碳原子的有机酸(例如羧酸)或苯甲酸，或这些酸(优选乙酸)任意的盐或酯和/或乙酸的一种或多种盐和/或一种或多种酯(即，一种或多种乙酸酯)在温度、压力等条件下进行接触，所述条件能够有效的溶解至少一部分含碳材料。
在一个实施方案中，溶解是通过使用一种或多种乙酸的酯，例如此处所述的一种或多种乙酸酯来完成的，使用或不使用另外的化学品。
在一个非限定性的实例中，将含碳材料与此处所述的一种或多种增溶化学品依次接触，这个次序包括将含碳材料与过氧化物、氢氧化物和羧酸的盐或酯(优选乙酸酯)特别是酯中的每个进行接触。也可以依次使用它们不同的组合。优选的试剂包括过氧化氢、氢氧化钠和乙酸乙酯。这些化学品的依次使用对于原位溶解是特别有用的，但是也可以非原位使用。
也可以使用类似组成的其他化学品。例如，氢氧化钾代替氢氧化钠和/或不同的乙酸酯代替乙酸乙酯。这些化学品的浓度以及它们的相对体积和它们与煤接触时的温度，将根据一定范围的因素包括要溶解的煤的特性和/或在其中提取煤的任何地层的情况而变化。
在一些实施方案中，在含碳材料是煤的情况中，所述的煤是褐煤或任何形式或等级的煤，基于增加的含碳量从褐色的煤到无烟煤。含碳量最低的是褐煤或褐色的煤，随后按照升高的次序是次烟煤或黑色褐煤(比褐煤的等级稍高)、烟煤、半烟煤(高级烟煤)、半无烟煤(低级无烟煤)和无烟煤。全部在本发明的方法中都是有用的。
在优选的实施方案中，与本文所述用于增溶的一种或多种化学品的接触是在0-300°C的温度，包括0-200°C的温度，优选10-200°C的温度，或本文其他地方所述的温度范围进行。
在其他优选的实施方案中，与本文所述用于增溶的一种或多种化学品的接触是在不同的pH条件进行的，其包括2-12、3-11、5-10等pH范围，或可以位于酸性或碱性范围中，例如1-6、2-5、或3-4、或8-13、或9-12、或10-11的范围。
温度和pH的有用组合是本发明能够预期的，并且相信本领域技术人员完全能够确定(无需任何过度的试验)所述条件或这样的条件的组合，其最适于处理任何具体的含碳材料或沉积层。使用具有变化的压力范围的这些组合也是可以预期的。
在使用乙酸的盐或酯(包括但不限于醇和乙酸的乙酸盐和酯)的实施方案中，所述的盐或酯任选地与水混合。在一个优选的实施方案中，乙酸的盐或酯与水混合使用。这样的乙酸盐或酯也可以是酯。在将这样的化学品引入到地层中以溶解其中至少一部分含碳材料的情况中，有利的是在注入盐或酯之前注入水。
在本发明的任何方法中所用的优选的乙酸酯包括但不限于，乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸己酯、乙酸庚酯、乙酸辛酯、乙酸壬酯、乙酸癸酯、乙酸十一烷基酯、乙酸十二烷基酯、乙酸十三烷基酯、乙酸十四烷基酯、乙酸十五烷基酯、乙酸十六烷基酯、乙酸十七烷基酯、乙酸十八烷基酯、乙酸山嵛基酯、乙酸二十六烷基酯、乙酸三十烷基酯、乙酸苄基酯、乙酸冰片酯、乙酸异冰片酯和乙酸环己酯。
可以预期，当这样的盐用水溶剂来使用时会形成一些乙酸或其他羧酸(取决于最终pH)，并且其将自由的参与溶解过程。
能够与本发明的乙酸酯或其他酯组合的另外一种类型的溶剂是亚磷酸酯。亚磷酸酯是通式结构为P(OR)3的一类化学化合物。亚磷酸酯可以被认为是亚磷酸H3PO3的酯。简单的亚磷酸酯是亚磷酸三甲酯，P(OCH3)3。磷酸酯可以被认为是磷酸的酯。因为正磷酸具有三个-OH基，因此它能够与一个、两个或三个醇分子酯化以形成单-、二-或三酯。化学化合物，如亚磷酸酯和磷酸酯，或磷的酮酸酯，或磷的硫代酸酯；或磷的酮酸和醇的混合物，或磷的硫代酸和醇的混合物，与带有碳的分子反应以破坏分子中的碳键并将氢分子加入到这些带有碳的分子中。这样的反应产生了一系列更小的带有碳的分子如一氧化碳、二氧化碳和挥发性脂肪酸(其更易于通过产甲烷菌微生物菌群生物转化成为甲烷和其他有用的烃)。由磷的酮酸酯或磷的硫代酸酯，或磷的酮酸和醇的混合物，或磷的硫代酸和醇的混合物，与煤反应产生的反应产物刺激了地层中的产甲烷菌微生物菌群开始生产，或提高了甲烷和其他有用产物的生产。
在一些实施方案中，另外的溶剂可以与已经描述的这些(即，多达4个碳原子的有机酸(例如羧酸)或苯甲酸，或这些酸(优选乙酸)任意的盐或酯，乙酸的盐或酯，以及氢氧化物和过氧化物)相组合或联合使用，以促进溶解过程。有用的另外的溶剂包括芳烃、杂酚油和重油。优选的芳烃包括菲、苯并菲、荧蒽和芘，含氮环芳烃例如吖啶和咔唑，以及儿茶酚和焦儿茶酚也适于作为本发明方法中的溶剂。也可以使用芳烃例如蒽和芴。
能够与有机酸(包括C1-C4羧酸如乙酸、乙酸的盐或酯、苯甲酸)、氢氧化物和过氧化物联合使用的另外的溶剂包括亚磷酸、磷酸、三乙胺、奎宁环HCl、吡啶、乙腈、二乙醚、丙酮、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢噻吩、三甲基膦、HNO3、EDTA、水杨酸钠、三乙醇胺、1,10-邻二氮杂菲、乙酸钠、酒石酸铵、草酸铵、柠檬酸三铵、2,3-二羟基苯甲酸、2,4-二羟基苯甲酸、3,4-二羟基苯甲酸、3,5-二羟基苯甲酸、THF-四氢呋喃。
有用的溶剂包括前述的任何一种以及其混合物，优选共晶组合物。这样的混合物可以用于在载液例如重油中溶解(这样的混合物不大于增溶溶剂的约5%-10%)。当加热到80-400°C，优选80-300°C，更优选100-250°C，和最优选至少约150°C的温度时，这样的溶剂是最有用的。高于约400°C的温度不太有利。
本发明具体目的是促进地层中带有碳的材料的生物转化以生产烃如甲烷，其通过用一种或多种C1-C4羧酸如乙酸和/或乙酸的盐和/或乙酸的酯，或苯甲酸或苯甲酸酯，优选酯的溶液处理地层，以及通过用溶液处理所述地层，所述溶液含有下述中的至少一种：磷的酮酸酯或磷的硫代酸酯；一种或多种芳醇；和选自下组的一种或多种其他化学品：氢、磷的酮酸、磷的酮酸的盐、维生素、矿物质、无机盐、金属和酵母提取物。
带有碳的地层原位生物转化成甲烷和其他烃以及二氧化碳是使用本土的(indigenous)或非本土的(non-indigenous)产甲烷菌群，经由引入微生物营养物，产甲烷菌群或化学品，利用综合数学模型来进行的，该模型充分描述了这样的系统和方法的地质、地球物理、流体动力、微生物学、化学、生物化学、热力学和操作的特性。
生物转化的产物的量和它们的生产率在此公认为是几个因素的函数，包括但不必限于，地层例如煤层中所存在的特定的微生物菌群，带有碳(即，含碳)地层的性质或类型，地层的温度和压力，地层中水的存在和其地球化学，微生物菌群存活和生长所需营养物的可利用性和量，甲烷和其他生物转化产物或成分的存在或饱和，以及其他几种因素。
碳生物转化率与下述因素成比例：能够为菌群中微生物所利用的表面积的大小、微生物的数目和营养物向沉积层中的移动，以及当沉积层被消耗时从沉积层中提取的或从沉积层中移出的生物转化产物。能够为微生物所利用的表面积大小与地层空隙空间的百分比或孔隙率成比例；并且渗透性，或气体和流体流过地层的能力的大小，依次与其孔隙率成比例。全部的地层在一定程度上是可压缩的，即，它们的体积、孔隙率和渗透性是施加到它们上面的净应力的函数。它们的压缩率依次是材料(即，矿物质、烃化学品和流体)、岩石的孔隙率和材料的结构(即，结晶的或非结晶的)的函数。
根据本发明，生物转化是通过一种或多种生物转化剂来进行的，其包括但不限于，如以下属(genus)的兼性厌氧菌：葡萄球菌属(Staphylococcus)、埃希氏菌属(Escherichia)、棒杆菌属(Corunebacterium)和李斯特菌属(Listeria)，产乙酸菌(acetogen)例如鼠孢菌属(Sporomusa)和梭菌属(Clostridium)，以及产甲烷菌例如甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、甲烷砾菌属(Methanocalculus)、甲烷类球菌属(Methanococcoides)、甲烷球菌属(Methanococcus)、甲烷粒菌属(Methanocorpusculum)、甲烷囊菌属(Methanoculleus)、甲烷泡菌属(Methanofollis)、产甲烷菌菌属(Methanogenium)、甲烷微菌属(Methanomicrobium)、甲烷火菌属(Methanopyrus)、Methanoregula、鬃毛甲烷菌属(Methanosaeta)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷球形菌属(Methanophaera)、Methanospirillium、甲烷热杆菌属(Methanothermobacter)和甲烷丝状菌属(Methanothrix)。更详细的列表在下面提供。生物转化剂也可以是真核细胞如真菌。
生物转化是在能够有效地对处理的含碳材料和/或其产物进行生物转化的条件下，通过用本文公开的用于增溶的化学品进行处理。有用的生物转化剂包括本文其他地方所述的兼性厌氧菌、产乙酸菌、产甲烷菌和真菌。合适的生物转化包括形成烃如甲烷、乙烷、丙烷；和羧酸、脂肪酸、乙酸酯、二氧化碳。这样的生物转化剂能够用于在从地质沉积层移除之前或之后溶解的基质的生物转化。
在一个优选的实施方案中，煤的生物转化是通过将煤的溶解与处理的煤和/或煤溶解产物的生物转化相组合来进行的，所述煤的溶解是通过本文公开的一种或多种增溶化学品例如乙酸酯，或乙酸酯与其他试剂(优选是氢氧化物和过氧化物之一或之二)的组合物来进行的，所述的处理的煤和/或煤溶解产物的生物转化是使用这里本文的一种或多种化学品和/或营养物和/或维生素和/或矿物质来促进所处理的煤和/或煤溶解产物的生物转化。这样的材料是作为补充物，用于作为生物转化剂来使用的生物体生长和/或促进其生物转化作用。
例如美国专利No.6,543,535和美国公开申请2006/0254765公开了代表性的微生物体和营养物，并且其教导在此引入作为参考。还可以包括合适的刺激物。
生物转化促进添加剂主要包括主要营养物、维生素、痕量元素(例如作为非限定实例的是B、Co、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、Ni、Se、W、Zn)和缓冲剂如磷酸酯和乙酸酯缓冲剂。也可以包括合适的生长介质。在本发明的实践中，必需首先确定沉积层如煤层中所存在的微生物菌群的特性，以确定作为本发明方法一部分而使用的最佳生长条件。
溶解的含碳材料如溶解的煤的原位生物转化是通过细菌组合物来完成的，例如这样的组合物，其包括两种或多种兼性厌氧菌、产乙酸菌、产甲烷菌和/或真菌，特别是本文其他地方所述的一种或多种菌属。这样的组合物可以内生地存在于沉积层中，和/或是作为溶解和/或生物转化过程的一部分而加入到沉积层中。在具体的实施方案中，将一种或多种营养物、维生素、矿物质、金属催化剂和其他化学品加入到煤沉积层中以促进细菌或真菌的生长。
根据本发明，这样的地层包括但不限于地层如煤层、页岩和油砂。一个实施方案向地下含碳地层中单独地或组合地引入选自过氧化物、氢氧化物和乙酸酯的一种或多种化学品，由此将该含碳材料溶解在地层中，并且制备它以用于进一步加工成生产燃料，或容易转化成燃料等的产物。
将增溶化学品注入到包含有含碳材料的地层如煤层中时，所生产的溶解的含碳材料的量和该生产的生产率是几种因素的函数，包括但不限于，引入到该含碳地层中的具体化学化合物、该化学化合物的浓度、该化学化合物的温度、该化学化合物的使用次序、该化学化合物的相对体积、该化学化合物的引入速率、带有碳的地层的性质或类型、地层的温度和压力、地层中水的存在和其地球化学、甲烷和其他生物转化产物或成分的存在或饱和度以及几种其他的因素。所以该含碳材料在带有碳的地层中的有效溶解需要优化的方法和步骤来将化学化合物传递和分配到地层中、将化学化合物沿着地层的表面积分配、将地层尽量多的表面积曝露于化学化合物、以及从地层中移除和回收溶解的含碳材料和气体。
在一个实施方案中，将化学品(其可以包括水或一些其他溶剂)通过从地面延伸到含碳地下沉积层的管道如一个或多个钻井孔，引入到所述的地层中。它们是相对于地面和/或地下含碳层或地层水平的、垂直的或以任何其他期望的角度来定向的。这样的地层包括但不限于煤层、页岩、油砂或重油沉积层。
在一个实施方案中，该管道或钻井孔是以一定阵列的图案或构造排列的，来将注入的化学品转移到地层中和回收溶解的含碳材料。在分别的实施方案中，注入增溶化学品和/或连续的或间歇的生产溶解的含碳材料。
本发明的方法也可以在用化学试剂处理或接触期间或之后，使用声波处理，该声波处理任选地是溶解过程的一部分或仅用于形成从所述处理或接触产生的更均匀产物。
在一些实施方案中，声波处理可以与所述化学品一起使用，来实现更均匀的溶解。在声波处理与原位含碳材料联合使用的情况中，这样的声波处理可以在增溶化学品引入到地层中之前、期间或之后进行，并且方便的是使用例如向下打孔的声波处理装置来完成。
在另一个实施方案中，地层在增溶化学品注入之前受激碎裂。或者，将地层在增溶化学品注入过程中，通过以足够引起该地层碎裂的速率和压力的注入来导致该地层碎裂。
在本发明的实施方案中，溶解产物包括可溶性或不溶性固体形式含碳材料，包括气体。
本发明的方法还可以例如通过膜分离、过滤、蒸发或其他合适的手段来对所生产/回收的溶解的含碳材料进行浓缩。
本发明还可以再循环或再利用本发明的溶解和/或浓缩方法中所用的水和/或增溶化学品。
本发明的一个实施方案包括在第一和第二实施方案的方法使用之前、期间和之后任何给定的时间，确定或估计地层的体积和质量、碳含量、孔隙率、流体和气体以及增溶化学品和溶解的含碳材料。
另一个实施方案包括在第一和第二实施方案的方法使用之前、期间和之后任何给定的时间，确定溶解的地层的含碳量。
在又一个实施方案中，沉积层的一种或多种物理性能包括深度、厚度、压力、温度、孔隙率、渗透性、密度、组成、流体类型和存在的体积、硬度和可压缩性。这种性能的知识被认为在确定原位溶解方法以及任何随后的生物转化方法中所的化学品的组合中非常有用。
在另一个实施方案中，所述运行条件包含一次或多次向沉积层中的注入：在预定的流速下预定量的增溶化学溶液和预定量的水。
在具体的实施方案中，本发明的方法利用了增溶化学溶液的性能，包括浓度、体积、温度和传输压力和流速。
在一个实施方案中，将溶解的产物首先溶解在水中和/或处于微粒的形式。在另一个实施方案中，至少一种气态产物是与溶解的碳一起产生的，其中该方法包括从沉积层中回收至少一种气体。
一个或多个分别的实施方案包括从沉积层中回收溶解的含碳材料和至少一种气体，并且进行下面的模拟，包括将沉积层分成至少一种具有多个三维沉积层亚单元的网格，并预测从一种或多种亚单元中回收的溶解的含碳材料和至少一种气体的量。
一个或多个其他实施方案包括将地下含碳沉积层分成一种具有多个三维沉积层亚单元的网格，选择表现出最佳待回收量的溶解的含碳产物的亚单元，然后从所选择的亚单元中回收溶解的产物。
本发明的方法具体可以用于从沉积层中回收溶解的含碳产物，其中进行下面的模拟，包括将沉积层分成至少一种具有多个三维沉积层区的网格，并预测从一个或多个区域中回收的溶解的含碳材料和至少一种气体，以及确定溶解的含碳材料和气态产物从区域到相邻区域的流动。在一个具体的实例中，本发明通用的方法包含图3的步骤。
在一个优选的实施方案中，在增溶化学品包括过氧化物、氢氧化物和乙酸酯中至少两种的情况下，更优选在使用全部三种的情况下，将该化学品作为混合物或依次例如以一定的次序注入所述的化学品，以与地下沉积层、层或地层接触。当作为混合物加入时，该化学品是作为单个组合物一起加入的，或是依次加入的，以原位形成混合物。当依次加入时，每个注入任选地在其之前或之后通过注入合适的溶剂如水来隔开。
例如，一个实施方案包括注入过氧化物，随后注入氢氧化物，随后是乙酸酯，每个这样的注入是通过注入一定体积的水来隔开的。几个非限定性实施方案提供在具有附图所示结果的这些实施例中。
在一个实施方案中，该增溶化学品包含至少一种过氧化物、至少一种氢氧化物和至少一种酯(优选乙酸酯)，以及另外的化学品，该另外的化学品是单独注入或是与过氧化物、氢氧化物或乙酸酯一起注入。
根据本发明，将溶解的含碳材料例如经由用于引入增溶化学品的一个或多个管道或钻井孔来完全回收。这样的回收也可以使用另外的为此目的而形成的管道或钻井孔，其不同于用于引入增溶化学品的这些管道或钻井孔。形成相同或分别的管道或钻井孔，用于测试地层中的材料量和/或监控溶解过程的进展。
在本发明的一个实施方案中，增溶化学品包括至少一种氢氧化物。在优选的实施方案中，该氢氧化物是钠、钾、铝、钙、镁、铵、铜或铁的氢氧化物，并且氢氧化钠是特别优选的。该氢氧化物存在的浓度是0.01%-50%，优选0.1%-40%，更优选1%-30%，或1.5%-20%，或2%-10%，最优选2.5%-5%，最优选的浓度是约3%、3.5%和4%、4.5%。
在增溶化学品包括过氧化物这样的实施方案中，优选的试剂是过氧化氢。这样的过氧化物优选的加入浓度是0.01%-50%，优选0.1%-40%，更优选1%-30%，或1.5%-20%，或2%-10%，最优选2.5%-5%，最优选的浓度是约3%、3.5%和4%。
在一个实施方案中，将过氧化物与另外一种试剂例如铁催化剂如硫酸铁(II)相组合。这样的组合物通常称作Fenton试剂。这样的过氧化物的加入浓度是0.01%-50%，优选0.1%-40%，更优选1%-30%，或1.5%-20%，或2%-10%，最优选2.5%-5%，最优选的浓度是约2.5%、3%、3.5%和4%。
当加热到10°C-250°C，优选70°C-200°C，更优选70°C-150°C，和最优选70°C-100°C的温度时，该化学品尤其有用。温度高于大约250°C是不太有利的。
在一个实施方案中，处理或接触是在多种压力条件进行的，包括大气压、高于大气压或低于大气压。例如在原位处理煤沉积层中，该压力是沉积层中占优的压力或通过控制液体引入所述井中的压力而处于高压。
在一个这样的实施方案中，将增溶化学品引入到地层中，从地面到地层的深度每英尺深度压力为0psig-5000psig，优选其中所述压力是0.44psig和0.7psig。
本发明可以预期这样的溶解条件是不互斥的，而且温度、压力和不同的增溶化学品的浓度的有利组合也是本生产领域技术人员完全能够预期的，并且仍然完全处于本发明的范围内。
在一个优选的实施方案中，增溶化学品是过氧化氢、氢氧化钠和乙酸乙酯。
在其中回收的溶解的含碳材料与厌氧发酵系统接触的实施方案中，这样的系统可以是用于将溶解的含碳材料生物转化成气体的不同构造的(包括一级、二级和多级)发酵系统，例如本文所述气体是甲烷、二氧化碳、高级烃或一些其他有用产物，这取决于所用的发酵试剂。
溶解的含碳材料通过卡车、铁路或管线从提取点运送到用于厌氧发酵生物转化的位置是本发明可以明确预期的，并且这样的发酵不需要在溶解位置处或其附近进行。
这样的发酵可以将溶解的含碳材料在发酵系统中转化成合适的有机酸、羧酸、乙酸酯和酯，并且可以使用本土的或非本土的微生物菌群。在一个实施方案中，通过本土或非本土的产甲烷菌菌群将溶解的碳转化成甲烷、二氧化碳和其他有用产物。
微生物产甲烷菌菌群在优化的压力、温度和其他因素条件下用于厌氧发酵系统，即，所述的条件使得溶解的碳向甲烷、二氧化碳和其他有用烃的转化率最大。该方法可以包含将溶解的含碳材料引入第一水解反应器中，随后引入第二产甲烷菌反应器中以生产甲烷和二氧化碳，如图7所示。其他烃是根据类似的方法生产的。
在一个实施方案中，生物气化反应器中混入了一种或多种具有高的表面积体积比的材料，用于充当产甲烷菌细菌培养物附着和生长的表面。
任何活性水解的或甲烷生产嗜温或嗜热厌氧消化系统可以用于由根据本发明的方法所形成的溶解的含碳材料以生产有用的产物。
在一个实施方案中，产生氢的厌氧系统使用了来自梭菌属的微生物体。例如该梭菌属可以包括但不限于嗜热乳酸梭菌(C.thermolacticum)，嗜热硫化氢梭菌(C.thermohydrosulfuricum)，嗜热产琥珀酸梭菌(C.thermosucinogene)，丁酸梭菌(C.butyricum)，肉毒梭菌(C.botulinum)，巴氏梭菌(C.pasteurianum)，热纤梭菌(C.thermocellum)和拜氏梭菌(C.beijirincki)。在不同的实施方案中，产生氢的厌氧系统使用了来自乳酸菌和/或真细菌类的微生物体。在非限定性的实例中，该乳酸菌是Lactobacillus paracasel，和/或该真细菌类是真细菌类产气菌。
优选的水解生物体包括梭菌属(Clostridium)、拟杆菌属(Bacteroides)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、醋弧菌属(Acetivibrio)、乳酸菌和其他厚壁菌和变形菌。
使用酸形成性细菌和甲烷产生生物体的产生甲烷的厌氧系统是公知的，并且能够容易地用于由污泥浆或由酿酒废物来生产甲烷。这些明确能够用于本发明中。关于厌氧消化的微生物学概述在“厌氧消化(Anaerobic Digestion)，1.厌氧消化微生物学(The Microbiology ofAnaerobic Digestion)，”D.F.Toerien和W.H.J.Hattingh，水研究(WaterResearch)，第3卷第385-416页，Pergamon Press(1969)中进行了阐述。
合适的酸形成物种包括例如但不限于下面属的物种：气杆菌属(Aerobacter)、气单胞菌属(Aeromonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、芽胞杆菌属、拟杆菌属、梭菌属、埃希氏菌属、克雷伯菌属(Klebsiella)、细螺旋体属、微球菌属、Neiseria、副大肠菌属(Paracolobacterium)、变形杆菌属(Proteus)、假单胞菌属、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)，浑球红细菌(Rhodobacter sphaeroides)、红杆菌属、海滨赤细菌(Erythrobacter liralis)、简纳西氏菌(Jannaschia sp.)、波罗的海红小梨形菌(Rhodopirellula baltica)、八叠球菌属、沙雷氏菌属、链球菌属和链霉菌属。还能够用于本发明中的微生物体选自Methanobacterium oinelianskii、甲酸甲烷杆菌(Mb.Formicium)、索氏甲烷杆菌(Mb.Sohngenii)、Methanosarcina barken、Ms.Ace-vorans、Ms.Methanica和Mc.Mazei、热自给营养的甲烷菌、布氏甲烷杆菌(Methanobacterium bryantii)、史氏甲烷短杆菌(Methanobrevibactersmithii)、嗜树木甲烷短杆菌(Methanobrevibacter arboriphilus)、瘤胃甲烷短杆菌(Methanobrevibacter ruminantium)、亨氏甲烷螺菌(Methanospirillum hungatei)、Methanococcoides bun-nii、万氏甲烷球菌(Methanococcus vannielli)、Methanothrix soehngenii Opfikon、甲烷丝菌(Methanothrix sp.)、马氏甲烷八叠球菌(Methanosarcinamazei)、嗜热甲烷八联球菌(Methanosarcina thermophila)及其混合物。
优选的产甲烷菌生物体包括甲烷菌科(Methanobacteriaceae)、甲烷球菌科(Methanosarcinaceae)、甲烷鬃毛菌科(Methanosaetaceae)、甲烷粒菌科(Methanocorpusculaceae)、甲烷微菌科(Methaanomicrobiaceae)和其他古生菌生物体。
其他有用的微生物体和微生物体的混合物是本领域技术人员已知的。例如美国专利No.6543535和美国公开申请2006/0254765公开了代表性的微生物体和营养物，并且其教导引入作为参考。还可以包括合适的刺激物。
广泛的多种基质是通过甲烷生产细菌来使用的，但是每个物种目前被认为特定的限定了使用几种化合物。所以，会需要几种甲烷生产细菌来完成根据本发明回收的材料的发酵。例如，戊酸的完全发酵需要多到三种甲烷生产细菌。戊酸是通过Mb.Suboxydans被氧化成乙酸和丙酸，其没有受到这种生物体的进一步攻击。第二种细菌如Mb.Propionicum能够将丙酸转化成乙酸、二氧化碳和甲烷。第三种细菌如甲烷八叠球菌（Methanosarcinamethanica）需要用来发酵乙酸。
应当理解，此处所述的全部实施方案为了说明而给出，其并非限制性的，并且本领域技术人员可以对所公开的实施方案进行修改。例如，虽然描述了一组增溶化学品和/或浓度，但是在给定的方案以及根据给定的烃地层，这里可以存在着任何数目的这样的浓度。其目的是根据所附权利要求来确定本发明的范围。
具体实施方式
实施例1含碳材料的溶解
在一系列的实验室测试中确定了从煤中溶解含碳材料的方法。煤样品获自三种不同的来源：卡巴罗(Caballo)煤矿和怀俄明州的保德河流域的浅煤床甲烷井，以及来自靠近路易斯安娜州哥伦比亚(Columbia)的钻井。在第一个系列测试中，将直径大约0.25英寸和总重量大约5g的煤块放入Falcon管中，用加入到该Falcon管中的10ml的3%体积浓度的过氧化氢在25°C处理24小时。将流体滗出，然后将加热到90°C的10ml的50mM摩尔的氢氧化钠加入到所述管中60分钟。将该流体滗出，然后将加热到75°C的10ml的5%体积的乙酸乙酯加入到该管中60分钟。将该流体滗出。持续这种化学品加入次序和滗析，直到完成20个次序。分析滗出的流体的溶解的碳含量。分析残余煤固体的质量和残留的碳含量。
图4和5分别表示对于两种所测试的保德河流域煤样品和对于路易斯安娜州煤样品来说，在每个溶解步骤中从煤中溶解的碳量。
实施例2含碳材料的溶解
第二测试是在来自怀俄明州的保德河流域的北安特洛浦罗切斯特(North Antelope Rochelle)煤矿的煤样品上进行的。在这个测试中，将尺寸不同，但是直径不小于0.25英寸的煤块放入内径2英寸，长26英寸的不锈钢管中。将地层水加入到所述管中，来填充满煤块之间全部的空隙。将管端封闭，并且安装上端口和阀门，以便能够将流体引入和回收到管中。将该管垂直安装在台子上，并且连接到泵上，该设备安装有用于测量所述管进出的压力、流量和温度的仪器。将大约300ml的0.88摩尔过氧化氢泵入所述管中，随后泵入300ml地层水。期间将过氧化氢泵入，然后，在注入地层水之前，保持在管中的时间是144分钟。期间将地层水泵入，然后保持在管中的时间是30分钟。
在地层水泵入到管中之后，将300ml的0.05摩尔氢氧化钠泵入管中，随后泵入300ml的地层水。期间将氢氧化钠泵入，然后，在注入地层水之前，保持在管中的时间是60分钟。期间将地层水泵入，然后保持在管中的时间是30分钟。在地层水泵入管中之后，将加热到90°C的300ml的0.5%摩尔乙酸乙酯泵入管中，随后泵入300ml的地层水。期间将乙酸乙酯泵入，然后，在注入地层水之前，保持在管中的时间是60分钟。期间将地层水泵入，然后保持在管中的时间是30分钟。在每个化学品和地层水注入到管中的时间，从所述管相对端的排出口收集该注入所置换的流体，并且测试溶解的碳和注入的化学品的组成。以相同的次序和体积进行化学品和地层水注入过程，直到20个完整周期的化学品和地层水已经泵入到所述管中，并且从所述管的排出口收集样品。
图5表示了通过溶解过程所生产的溶解碳的量，作为煤的总初始碳含量的百分比。在所述泵送过程完成时，确定煤的体积及其组成，以及保留在所述管中的流体的体积和组成。流体中溶解的碳含量使用UV-Vis光谱光度测量法确定，并且使用液体色谱法-质谱法确认。
实施例3厌氧发酵
将通过上述化学溶解步骤所溶解的67g的保德河流域煤样品以小批次增量引入到二级厌氧发酵系统中，以确定溶解的含碳材料能够转化成甲烷、二氧化碳和其他气体的程度。在27天的时间内，溶解的碳被转化成约52,000ml的甲烷，或约25,000标准立方英尺/吨等价物，和24,000ml二氧化碳。
图8表示了在30天时间内，在厌氧发酵系统中由溶解的煤所生产的甲烷的量，测量的单位是标准立方英尺/吨输入的煤。几乎全部溶解的煤炭在厌氧发酵系统中转化成甲烷和少量的二氧化碳。
实施例4褐煤在C4H8O2中的溶解度
将10g褐煤研磨到约250微米的尺寸并过筛，然后与50ml的25%的乙酸乙酯C4H8O2的水溶液混合，在90°C加热2h。压力是14.7psia，pH是7。观察到该样品在C4H8O2/水中的溶解度是93.5%。当在相同的条件下处理时，类似的褐煤样品在吡啶中仅仅具有12%的溶解度。

Claims (45)

1.一种处理含碳材料的方法，其包括：将含碳材料与选自具有多达4个碳原子的羧酸或苯甲酸或者任何这些酸的盐或酯的一种或多种增溶化学品接触，由此溶解至少一部分所述含碳材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述含碳材料是煤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述煤选自下组：褐煤、褐色的煤、次烟煤、烟煤、无烟煤及其组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述接触在0-300°C的温度进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在与所述成员进行所述接触期间或之后，用一种或多种生物转化剂处理至少一部分所述含碳材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括在所述接触之前或期间，加入营养物、维生素、矿物质和金属催化剂。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述生物转化剂为选自下组的至少一个成员：兼性厌氧菌、产乙酸菌、产甲烷菌和真菌。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述接触进一步包括与选自下组的溶剂接触：菲、苯并菲、荧蒽和芘、含氮环芳烃、蒽、芴和它们的任意组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述接触进一步包括与选自下组的溶剂接触：亚磷酸、磷酸、亚磷酸酯、三乙胺、奎宁环HCl、吡啶、乙腈、二乙醚、丙酮、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢噻吩、三甲基膦、HNO3、EDTA、水杨酸钠、三乙醇胺、1,10-邻二氮杂菲、乙酸钠、酒石酸铵、草酸铵、柠檬酸三铵、2,3-二羟基苯甲酸、2,4-二羟基苯甲酸、3,4-二羟基苯甲酸、3,5-二羟基苯甲酸、THF-四氢呋喃。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述增溶化学品是乙酸的酯。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述乙酸的酯为选自下组的成员：乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸己酯、乙酸庚酯、乙酸辛酯、乙酸壬酯、乙酸癸酯、乙酸十一烷基酯、乙酸十二烷基酯、乙酸十三烷基酯、乙酸十四烷基酯、乙酸十五烷基酯、乙酸十六烷基酯、乙酸十七烷基酯、乙酸十八烷基酯、乙酸山嵛基酯、乙酸二十六烷基酯、乙酸三十烷基酯、乙酸苄基酯、乙酸冰片酯、乙酸异冰片酯和乙酸环己酯。
12.一种将含碳材料溶解于地层中的方法，其包括向地下含碳地层中引入选自过氧化物、氢氧化物和C1-C4羧酸或苯甲酸的酯或盐的一种或多种增溶化学品，由此将至少一部分所述含碳材料溶解到所述地层中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述化学品通过一个或多个从地面延伸到含碳地下沉积层的管道或钻井孔被引入到所述地层中。
14.根据权利要求12所述的方法，其中依次注入所述化学品，每个所述注入通过一定体积的水隔开。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述化学品的注入顺序为过氧化物、氢氧化物和C1-C4羧酸或苯甲酸的酯或盐。
16.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括回收所溶解的含碳材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括将所述回收的溶解的含碳材料与厌氧发酵系统接触的步骤，以将所述溶解的含碳材料生物转化成气体。
18.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括回收所述溶解的含碳材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括将所述回收的溶解的含碳材料与厌氧发酵系统接触的步骤，以将所述溶解的含碳材料生物转化成气体。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述地层是煤层、页岩、油砂或者重油沉积层。
21.根据权利要求12所述的方法，其中所述氢氧化物是钠、钾、铝、钙、镁、铵、铜或铁的氢氧化物。
22.根据权利要求12所述的方法，其中所述化学品是过氧化氢、氢氧化钠和乙酸乙酯。
23.根据权利要求12所述的方法，其中所述管道或钻井孔以一系列图案或结构排列，以将注入的化学品置换到地层中并回收溶解的含碳材料。
24.根据权利要求17所述的方法，其中将所述溶解的含碳材料引入到厌氧发酵系统或选自一级和二级发酵系统的结构变化的系统。
25.根据权利要求12所述的方法，其中将所述增溶化学品引入到温度10°C-250°C的所述地层中。
26.根据权利要求12所述的方法，其中将所述增溶化学品引入到地层中，从地面到地层的深度每英尺深度压力为0psig-5000psig。
27.根据权利要求12所述的方法，其中在引入所述化学品的步骤(b)之前或期间，将所述地层进行声波处理。
28.根据权利要求12所述的方法，其中所述增溶化学品是乙酸酯。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述乙酸酯是选自下组的成员：乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸己酯、乙酸庚酯、乙酸辛酯、乙酸壬酯、乙酸癸酯、乙酸十一烷基酯、乙酸十二烷基酯、乙酸十三烷基酯、乙酸十四烷基酯、乙酸十五烷基酯、乙酸十六烷基酯、乙酸十七烷基酯、乙酸十八烷基酯、乙酸山嵛基酯、乙酸二十六烷基酯、乙酸三十烷基酯、乙酸苄基酯、乙酸冰片酯、乙酸异冰片酯和乙酸环己酯。
30.根据权利要求12所述的方法，其中所述含碳材料是煤。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述煤选自褐煤、褐色的煤、次烟煤、烟煤、无烟煤及其组合。
32.根据权利要求12所述的方法，其中所述接触进一步包括与选自下组的溶剂接触：菲、苯并菲、荧蒽和芘、含氮环芳烃、蒽、芴和它们的任意组合。
33.根据权利要求12所述的方法，其中所述接触进一步包括与选自下组的溶剂接触：亚磷酸、磷酸、亚磷酸酯、三乙胺、奎宁环HCl、吡啶、乙腈、二乙醚、丙酮、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四氢噻吩、三甲基膦、HNO3、EDTA、水杨酸钠、三乙醇胺、1,10-邻二氮杂菲、乙酸钠、酒石酸铵、草酸铵、柠檬酸三铵、2,3-二羟基苯甲酸、2,4-二羟基苯甲酸、3,4-二羟基苯甲酸、3,5-二羟基苯甲酸、THF-四氢呋喃。
34.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括将所述溶解的含碳材料与厌氧发酵系统原位接触的步骤，以将所述溶解的含碳材料生物转化成气体。
35.一种生物转化方法，其包括：将溶解的含碳材料与生物转化剂接触以生物转化所述材料。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述含碳材料是煤。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述煤选自下组：褐煤、褐色的煤、次烟煤、烟煤、无烟煤及其组合。
38.根据权利要求35所述的方法，其中所述接触在原位进行。
39.根据权利要求35所述的方法，其中所述接触在非原位进行。
40.一种处理含碳材料的方法，其包括：将含碳材料与选自过氧化物、氢氧化物和C1-C4羧酸或苯甲酸的酯的一种或多种化学品接触，由此溶解至少一部分所述含碳材料。
41.根据权利要求40所述的方法，其中所述含碳材料是煤。
42.根据权利要求40所述的方法，其中所述煤选自下组：褐煤、褐色的煤、次烟煤、烟煤、无烟煤及其组合。
43.一种包含溶解的含碳材料的组合物，所述溶解的含碳材料通过将含碳材料与选自过氧化物、氢氧化物和C1-C4羧酸或苯甲酸的酯的一种或多种化学品接触，由此溶解至少一部分所述含碳材料而形成。
44.根据权利要求43所述的组合物，其中所述含碳材料是煤。
45.根据权利要求43所述的组合物，其中所述煤选自下组：褐煤、褐色的煤、次烟煤、烟煤、无烟煤及其组合。
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