Pemodelan dan Simulasi Kinerja Downdraft Gasifier Menggunakan TeknikMinimisasi Energi Bebas Gibbs

Rio Nanda Novendra, Zuchra Helwani, Sri Helianty, ZulfansyahJurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Riau

Kampus Binawidya Km 12,5 Simpang Baru Panam, Pekanbaru 28293rionandanovendra@yahoo.co.id

ABSTRACTGibbs free energy minimization method has been used in modelling the performance of a downdraftgasifier. The performance is represented by the composition of resulting gas. Sixteen gasesconsidered are H2, CO, CH4, H2O, CO2, N2, C2H2, C2H4, C2H6, NO, NO2, N2O, HCN, NH3, H2S andSO2. The simulation is carried out making used of EXCEL. The result showed that the predictedvalue of model fit reasonably well with experimental data. The model was also used to investigatethe influence of biomass composition, oxidant ratio and composition of oxidizing agent tocomposition of the resulting gas. Three kinds of biomass considered are oil palm shell,oil palm frondand empty fruit bunch. The oxidant ratio simulated is varied from 0 to 1 while composition ofoxidizing agent is varied from 21% - 100% oxigen. The simulation result showed that those threeparameters play an important role in gasification process which in combination can produce totalH2 and CO up to more than 85%.

Keyword : Gasification, modelling, downdraft gasifier, Gibbs free energy minimization.

1 PendahuluanBiomassa merupakan sumber energi yang tersedia di

alam dalam jumlah besar. Limbah pertanian,perkebunan, peternakan dan sampah kota merupakansumber - sumber penghasil biomassa. Selainketersediaannya yang melimpah, biomassa jugamerupakan sumber energi terbarukan. Denganketersediaan dalam jumlah besar dan kontinyu, biomassamemiliki potensi untuk dikembangkan menjadi sumberenergi alternatif pengganti energi fosil.

Pemanfaatan biomassa sebagai sumber energi belumdilakukan secara optimal, hanya sebagian kecil biomassayang dimanfaatkan, seperti bahan bakar untuk memasakpada daerah pedesaan. Meskipun telah banyak penelitianditujukan pada penggunaan biomassa sebagai sumberenergi untuk bahan bakar cair kendaraan, seperti etanoldan biodiesel, penggunaan biomassa baru mencapai 2%dari energi biomassa dunia [Hall, 1997; Coyle, 2007].Dengan demikian, konversi energi dari biomassa masihperlu ditingkatkan lagi.

Pemanfaatan biomassa secara termokimia dapatdilakukan melalui gasifikasi biomassa. Proses gasifikasimerupakan proses konversi yang memberikankemudahan, baik dalam pemilihan bahan baku yangdigunakan maupun produk akhir yang diinginkan.Berbagai jenis bahan baku seperti batubara, potongankayu maupun sampah kota bisa dijadikan sebagai umpangasifier. Proses gasifikasi mengubah biomassa menjadiproduk yang lebih bernilai yaitu syngas. Syngas bisadigunakan pada turbin gas pembangkit listrik maupun

sebagai umpan reaksi katalitik Fischer-Tropsch untukproduksi bahan bakar cair.

Komposisi gas yang dihasilkan dari gasifikasibiomassa bergantung pada kinerja gasifier yangdigunakan. Komposisi gas hasil merupakan parameterevaluasi kinerja gasifier yang paling penting karenamenentukan tingkat kelayakan syngas untuk digunakanpada aplikasi selanjutnya. Pemodelan gasifier untukpenentuan komposisi gas hasil akan memudahkanevaluasi kinerja gasifier sehingga membuat teknologigasifikasi semakin kompetitif dan dapat diterapkan padaberbagai aplikasi.

Pendekatan kinetika dan kesetimbangan telahdikembangkan untuk memodelkan dan mengoptimasigasifier biomassa [Buragohain dkk, 2010]. Modelkinetika memperhitungkan laju reaksi berbagai reaksisimultan dan paralel yang terjadi di dalam gasifier.Meskipun model kinetika secara fisika lebih realistis,aplikasi model ini secara luas masih terbatas karena tidakbisa digeneralisasi. Model ini melibatkan parameter-parameter fisika dan laju kinetika yang biasanyatergantung dari masing-masing tipe biomassa, sesuaidengan kandungan selulosa, hemiselulosa dan lignin[Atnaw dkk, 2011]. Sebaliknya, model kesetimbanganmemprediksi batas konversi yang dapat dicapai padakondisi yang berbeda-beda, sehingga bisa memberikandasar yang bermanfaat untuk proses perancangan danproses optimasi.

Metode kalkulasi kesetimbangan kimiadiklasifikasikan dalam metode stoikiometri dannonstoikiometri. Metode stoikiometri memperhitungkanberbagai reaksi yang terjadi dalam proses gasifikasi dan

konstanta kesetimbangannya. Metode ini biasanyadigunakan untuk menentukan kesetimbangan kimia padasistem yang sederhana. Untuk menentukankesetimbangan kimia pada sistem yang melibatkanmultifasa dan banyak spesies, biasanya digunakan teknikminimisasi energi bebas Gibbs atau lebih dikenal dengannama metode non-stoikiometri [Vonka dan Leitner,2000]. Metode non-stoikiometri memberikan kemudahanyaitu tidak membutuhkan analisa stoikiometri sistem.Metode non-stoikiometri memungkinkan kalkulasi padaaliran umpan dengan rumus kimia dan senyawa kimiayang tidak diketahui dengan mudah. Kemudahan inidisebabkan karena pada metode non-stoikiometri tidakmemperhitungkan neraca massa stoikiometri dankonstanta kesetimbangan reaksi yang bergantung padajenis reaksi dan rumus kimia senyawa.

Model berdasarkan kesetimbangan stoikiometri telahdikembangkan untuk mempelajari kinerja downdraftgasifier dengan biomassa berbeda [Zainal dkk, 2001].Model digunakan untuk menginvestigasi pengaruhbiomassa dan kandungan air yang berbeda terhadapkomposisi gas. Heating value gas yang diprediksi olehmodel cukup sesuai dengan yang diperoleh dari dataeksperimen. Pendekatan yang sama digunakan olehJarungthammachote dkk [2007] untuk memprediksikomposisi gas downdraft gasifier. Nilai prediksi modeldibandingkan dengan hasil eksperimen peneliti lain.Beberapa koefisien untuk konstanta kesetimbanganreaksi water-gas shift dikoreksi. Hasil prediksi modelmenunjukkan kesesuaian dengan hasil eksperimen.

Kesetimbangan nonstoikiometri dan stoikiometrimemiliki konsep yang sama. Metode nonstoikiometridapat dikembangkan untuk memprediksi komposisi gashasil downdraft gasifier dengan metode kalkulasi yanglebih sederhana sehingga mempermudah proses simulasipada berbagai rentang parameter operasi gasifier. Jenisbiomassa, jumlah oksigen pengoksidasi dan komposisiagen gasifikasi yang berbeda akan disimulasi untukmengetahui pengaruhnya terhadap komposisi gas hasilpada proses gasifikasi berbahan baku cangkang sawit,pelepah sawit dan tandan kosong sawit.

2 Metode PenelitianLangkah awal dalam penyusunan model adalah

pengidentifikasian sistem. Proses identikasi sistem inimenghasilkan asumsi-asumsi yang selanjutnyadikembangkan untuk menyusun model matematikasistem. Data-data yang diperlukan dimasukkan ke dalammodel matematika untuk memverifikasi model dengandata eksperimen. Model yang telah diverifikasikemudian disimulasi. Hasil dari simulasi adalah berupainformasi mengenai pengaruh komposisi biomassa,jumlah pengoksidasi dan komposisi agen gasifikasiterhadap komposisi gas hasil. Diagram blok prosedurpenelitian ditampilkan pada Gambar 1.

2.1 Identifikasi SistemDalam pemodelan ini ditetapkan beberapa asumsi

yaitu:1. Suhu syngas dianggap sama dengan suhu pada zona

reduksi

2. Residence time di dalam reaktor dianggap cukupuntuk mencapai kondisi kesetimbangan

3. Semua ter dianggap teroksidasi4. Pathway reaksi dan pembentukan intermediet tidak

dimodelkan5. Komponen gas hasil terdiri dari H2, CO, CH4, H2O,

CO2, N2, C2H2, C2H4, C2H6, NO, NO2, N2O, HCN,NH3, H2S, SO2.

Skema downdraft gasififer ditampilkan padaGambar 2.

Gambar 1. Diagram blok prosedur penelitian.

Gambar 2.Skema downdraft gasifierVariabel dalam penelitian ini adalah jenis biomassa,

rasio oksigen pengoksidasi dan komposisi agenpengoksidasi. Biomassa yang akan disimulasi terdiri daricangkang sawit, pelepah sawit, dan tandan kosong sawit,rasio oksigen pengoksidasi divariasikan dari 0 sampai 1,sedangkan agen pengoksidasi yang akan disimulasiterdiri dari udara, udara dengan oksigen yang diperkaya,dan oksigen murni.

2.2 Pengembangan Model2.2.1 Persamaan Energi Bebas Gibbs Sistem

Dalam pemodelan ini, komponen gas yang akandisimulasi terdiri dari 16 komponen yaitu hidrogen,karbon monoksida, metana, uap air, karbon dioksida,nitrogen, nitrogen dioksida, nitrogen monoksida, nitrousoksida, belerang dioksida, etuna, etena, etana, amonia,asam sianida dan hidrogen sulfida. Persamaan energi

bebas Gibbs sistem yang terdiri dari 16 komponentersebut dapat dinyatakan sebagai berikut:

16

, 161

1

lnt ii f i ii

ii

nG n G n RTn

(1)

Karena energi bebas Gibbs pembentukan merupakanfungsi entalpi dan entropi, persamaan 1 juga dapatdinyatakan dalam bentuk berikut.

16 , 161

1

( ) ( ) lnt ii f i ii

ii

nG n H T T S T n RTn

(2)

16

, , 161

1

( ) ( ) lnr r

T Tt reaksi i

i f i r reaksi f i r ii T T

ii

Cp nG n H T Cp dT T S T dT n RTT

n

(3)

dimanareaksiCp merupakan selisih antara kapasitas

panas senyawa dengan kapasitas panas unsur ataukomponen penyusunnya.

2.2.1 Persamaan Neraca MassaDalam kalkulasi neraca massa tanpa melibatkan

reaksi reaksi yang terjadi, perhitungan harus dilakukandengan meninjau jumlah mol unsur. Karena jumlah molunsur yang masuk sama dengan jumlah mol unsur yangkeluar, maka jumlah total mol unsur pada umpanbiomassa dan pengoksidasi akan sama dengan jumlahtotal mol unsur pada gas hasil.Jumlah mol unsur masuk = jumlah mol unsur keluar

, ,

1 1

n n

j in j outj j

m m

(4)

mj merupakan unsur ke-j. Untuk tiap tiap komponengas hasil, jumlah molekul unsur yang terdapat pada tiapkomponen dapat dinyatakan sebagai hasil kali jumlahatom unsur pada komponen (vi,j) dengan jumlah molkomponen (ni), sehingga

,

1

n

i j i ji

v n B

j = 1, 2, 3,...,k (5)Bj merupakan jumlah mol total unsur ke-j pada umpan.Unsur penyusun biomassa yang terlibat dalam reaksigasifikasi dianggap hanya terdiri dari C, H, O, N dan Ssehingga hasil penguraian persamaan menghasilkanpersamaan - persamaan berikut:

4 2 2 2 2 4 2 62 2 2CO CH CO C H C H C H HCN Cn n n n n n n B (6)

2 4 2 2 2 2 4 2 6 3 22 4 2 2 4 6 3 2H CH H O C H C H C H NH HCN H S Hn n n n n n n n n B

(7)2 2 2 2 2

2 2 2CO H O CO NO NO N O SO On n n n n n n B (8)

2 2 2 32 2N NO NO N O NH HCN Nn n n n n n B (9)

2 2SO H S Sn n B (10)BC, BH, BO, BN dan BS,merupakan jumlah mol unsur C,H, O, N dan S pada umpan. BO dan BN dapat dituliskandalam fungsi rasio oksigen pengoksidasi dan komposisiagen gasifikasi seperti berikut.

O OB F (11)

N NB F (12)Dimana FO merupakan jumlah mol unsur oksigen padabiomassa, FN merupakan jumlah mol unsur nitrogenpada biomassa, merupakan rasio pengoksidasi, merupakan rasio antara nitrogen dengan oksigen padaagen gasifikasi dan merupakan jumlah kebutuhanoksigen untuk pembakaran sempurna yang dapatdinyatakan dengan persamaan berikut.

2 0.5 2C H SF F F (13)FC, FH, dan FS merupakan jumlah mol unsur C, H dan Spada biomassa. FC, FH, dan FS dapat dianggap samadengan BC, BH dan BS jika agen gasifikasi hanya terdiridari komponen oksigen dan nitrogen. FC, FH, dan FS jugadapat dinyatakan sebagai fungsi kadar analisis ultimatebiomassa seperti berikut.

12C

Cw WF (14)

1H

Hw WF (15)

16O

Ow WF (16)

14N

Nw WF (17)

32S

Sw WF (18)

wC, wH, wO, wN dan wS merupakan kadar analisis ultimatebiomassa dan W adalah basis dalam satuan massa. W,wC, wH, wO, wN, wS, T dan merupakan variabelindependent yang dapat ditentukan nilainya sedangkan

2Hn , COn , 4CHn , 2COn , 2H On 2Nn , 2 2C Hn , 2 4C Hn ,

2 6C Hn , HCNn , 3NHn , NOn , 2NOn , 2N On , 2H Sn dan

2SOn merupakan variabel dependent yang akan hitungmelalui proses kalkulasi.

Permasalahan yang akan diselesaikan adalahmeminimisasi fungsi objektif Gt dengan constraintnyaneraca unsur. Permasalahan optimasi ini bisadiselesaikan dengan metode Lagrange. Metode Lagrangemengubah permasalahan optimasi dengan n variabel dank constraint menjadi persamaan dengan n + k variabeltanpa constraint. Penggunaan metode Lagrangemembutuhkan manipulasi fungsi objektif dan constraint.Manipulasi dilakukan dengan cara mengalikanpersamaan persamaan constraint dengan bilanganLagrange j , kemudian dikurangkan dari persamaanfungsi objektif Gt. Hasil manipulasi fungsi objektif danconstraint menghasilkan persamaan berikut.

,

1 1( )

k Nt

j i j i jj i

L G v n B

(19)Untuk menemukan titik minimumnya, fungsi Lditurunkan terhadap masing masing variabel ni dan jTurunan parsial fungsi L kemudian diset sama dengannol. Hasil turunan parsial terhadap masing masingvariabel akan menghasilkan persamaan dengan jumlahpersamaan dan variabel 21 (n = 16 dan k = 5).

0i

dLdn

dan 0j

dLd

(20)

Bentuk umumi

Ln

untuk tiap komponen adalah seperti

berikut.16 16

51, 1,

, ,16 161

1 1

1 k kk k i k k if i i j

ji ii i

i i

n n RTL G x vn n

n n

(21)

sedangkan untukj

L

, bentuk persamaan umumnya

adalah seperti berikut16

,

1i j i j

ij

Lv n B

(21)Hasil turunan persamaan L terhadap masing masingvariabel akan menghasilkan sistem persamaan nonlinierdengan jumlah persamaan dan variabel i + j.2.3 Penyelesaian Model

Simulasi model pada penelitian ini menggunakanMicrosoft Excel. Optimisasi diselesaikan menggunakanfungsi add-in Solver. Diagram balok algoritmaperhitungan dapat dilihat pada Gambar 3. Data yangmenjadi masukan dalam model adalah komposisi umpanyang terdiri dari komposisi biomassa, jumlah oksigenpengoksidasi, komposisi agen gasifikasi, suhu dan basis.Setelah data diinputkan, komposisi dari gas hasildiiterasi hingga nilai Gt mencapai titik minimum.

3 Hasil dan Pembahasan3.1 Verifikasi Model

Untuk melihat kesesuaian model dengan eksperimen,model disimulasi dan dibandingkan dengan dataeksperimen. Data pembanding diambil dari dataeksperimen Sivakumar dan Mohan (2010). Jenisbiomassa yang disimulasi adalah sekam padi. Suhugasifier dan rasio oksigen yang digunakan adalah 800 oCdan 0,25. Hasil simulasi ditampilkan pada Gambar 4.

Gambar 3. Algoritma perhitungan penyelesaian model.

Gambar 4. Kurva perbandingan antara komposisi gashasil simulasi dengan eksperimen proses gasifikasiberbahan baku sekam padi.

Gambar 4 menampilkan kurva perbandingan antarakomposisi gas hasil simulasi dengan eksperimen prosesgasifikasi berbahan baku sekam padi. Komposisi gasyang diperoleh dari simulasi model memperlihatkantrend yang sama dengan data yang diperoleh darieksperimen. Selisih antara persentase komposisi gashasil simulasi dengan eksperimen secara berturut turut

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6

kom

posis

i ga

s (d

ala

m%

)

Komponen gas

eksperimen simulasi

H2 COH2 CH4 CO2 N2 H2S

dari H2 sampai H2S adalah 3,323%; 2,102%; 1%;1,113%; 5,556%; 0,019%.

Dari kurva dapat diamati bahwa terdapat sedikitperbedaan antara persentase gas hasil simulasi denganpersentase gas hasil eksperimen. Perbedaan ini mungkindiakibatkan karena komposisi biomassa yang diinputkanpada model merupakan komposisi analisis ultimatebiomassa yang merupakan analisis dengan basis kering(dry basis). Analisis ultimate biomassa memberikan datakomposisi unsur penyusun biomassa seperti C, H, O, Ndan S dengan kadar air 0%. Pada eksperimen, biomassayang digunakan mungkin masih mengandung sejumlahkecil air. Air pada biomassa akan mempengaruhikomposisi umpan biomassa. Karena komposisikesetimbangan dipengaruhi oleh komposisi umpan,maka perbedaan komposisi umpan pada eksperimendengan komposisi umpan pada proses simulasimenghasilkan persentase gas hasil yang berbeda.Perbedaan komposisi gas hasil simulasi dengan hasileksperimen juga mungkin disebabkan pada asumsikondisi setimbang yang ditetapkan. Kondisi setimbangmerupakan kondisi dimana hanya terjadi perubahankomposisi secara mikro pada reaksi. Kondisi idealseperti ini mungkin sulit untuk dicapai pada kondisi real,sehingga masih terdapat perbedaan antara data realdengan data simulasi.

3.2. Pengaruh Komposisi Biomassa TerhadapKomposisi Gas Hasil Gasifikasi

Untuk melihat pengaruh dari komposisi biomassaterhadap komposisi gas yang dihasilkan, modeldisimulasi dengan memvariasikan jenis biomassa yangdigunakan sebagai bahan baku. Kurva pengaruhkomposisi biomassa terhadap komposisi gas hasilgasifikasi ditampilkan pada Gambar 5. Kondisi prosesgasifikasi yang digunakan adalah suhu 800 oC, rasiooksigen pengoksidasi 0,25 dan agen gasifikasi udara(21% oksigen dan 79% nitrogen).

Gambar 5 menampilkan data hasil simulasi prosesgasifikasi berbahan baku cangkang sawit, pelepah sawitdan tandan kosong sawit. Komposisi gas hasil simulasiproses gasifikasi berbahan baku cangkang sawit adalahH2 25,592%, CO 25,319%, CH4 0%, CO2 6,683%, N242,292% dan H2S 0,114%. Komposisi gas hasil simulasiuntuk pelepah sawit adalah H2 24,9%, CO 13,895%, CH40%, CO2 18,369%, N2 42,805% dan H2S 0,031%sedangkan untuk proses gasifikasi berbahan baku tandankosong sawit, komposisi gas yang dihasilkan adalah H227,401%, CO 20,008%, CH4 0%, CO2 10,567%, N241,865% dan H2S 0,16%. Dapat dilihat bahwa dariketiga jenis biomassa yang digunakan, proses gasifikasiberbahan baku cangkang sawit menghasilkan jumlahtotal H2 dan CO paling besar yaitu 50,911% (H225,592% dan CO 25,319%). Proses gasifikasi berbahanbaku tandan kosong sawit menghasilkan jumlah total H2dan CO sebesar 47,409% (H2 27,401% dan CO20,008%), lebih tinggi dibandingkan proses gasifikasiberbahan baku pelepah sawit yang hanya menghasilkanjumlah total H2 dan CO sebesar 38,795% (H2 24,9% danCO 13,895%).

Gambar 5. Kurva pengaruh komposisi biomassaterhadap komposisi gas hasil gasifikasi.

Perbedaan komposisi gas yang dihasilkan disebabkanperbedaan komposisi umpan biomassa yang digunakan.Komposisi unsur hidrogen 7,33% pada tandan kosongsawit menyebabkan komposisi H2 yang lebih tinggi yaitu27,401%, dibandingkan komposisi hidrogen pada prosesgasifikasi berbahan baku cangkang sawit dan pelepahsawit yang hanya menghasilkan persentase H2 sebesar25,591% dan 24,9% dengan komposisi unsur hidrogenpada bahan baku masing masing 7,2% dan 5,48%.Unsur C pada biomassa berkontribusi pada jumlah totalCO dan CO2. Komposisi C yang lebih tinggimenghasilkan jumlah total CO dan CO2 yang lebihtinggi. Pada proses gasifikasi dengan agen gasifikasiudara, peningkatan jumlah total mol CO dan CO2 tidakselalu diiringi dengan peningkatan persentase total COdan CO2. Hal ini disebabkan karena pada prosesgasifikasi menggunakan udara, jumlah N2 berbandinglurus dengan komposisi C pada umpan yangmenyebabkan jumlah mol total juga meningkat. Unsur Opada biomassa berkontribusi pada pembentukan CO danCO2. Unsur O yang tinggi pada biomassa memberikandampak negatif terhadap kualitas syngas karenamendorong pembentukan CO2 dibanding CO. Hal inidapat dilihat pada proses gasifikasi berbahan bakupelepah sawit. Komposisi unsur O yang mencapai49,68% menyebabkan komposisi CO2 yang lebih besaryaitu 18,369%. Jumlah ini lebih tinggi dibandingkankomposisi CO2 pada proses gasifikasi berbahan bakucangkang sawit dan tandan kosong sawit yang hanyamenghasilkan persentase CO2 sebesar 6,683% dan10,567%. Kadar sulfur pada biomassa berkontribusi padapembentukan senyawa sulfur. Kadar sulfur yang tinggicenderung menghasilkan persentase senyawa sulfur yanglebih besar. Proses gasifikasi berbahan baku tandankosong sawit yang mengandung kadar sulfur palingtinggi juga menghasilkan persentase H2S yang palingtinggi yaitu 0,16%. Persentase H2S yang dihasilkantergolong kecil jika dibandingkan persentase senyawalain. Meskipun demikian, pembentukan H2S ini perludiperhatikan karena bersifat sangat toksik.

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6

kom

posis

i ga

s ha

sil (d

ala

m%

)

komponen gas

cangkang sawit pelepah sawit tandan kosong sawit

H2 H2 CO CH4 CO2 N2 H2S

3.3 Pengaruh Rasio Oksigen Pengoksidasi TerhadapKomposisi Gas Hasil Gasifikasi

Kurva pengaruh rasio oksigen pengoksidasi terhadapgas hasil gasifikasi ditampilkan pada Gambar 6. Kondisiproses yang digunakan adalah suhu 800 oC dan agengasifikasi udara (21% oksigen dan 79% nitrogen).Komponen CH4, NO, N2O, C2H2, C2H6, NH3 dan HCNtidak ditampilkan pada grafik karena pada rentangparameter operasi gasifikasi yang digunakan, persentasekomponen komponen tersebut bernilai nol.

Gambar 6. Kurva pengaruh rasio oksigen pengoksidasiterhadap gas hasil gasifikasi berbahan baku cangkangsawit.

Gambar 6 menampilkan kurva pengaruh rasiooksigen pengoksidasi terhadap komposisi gas hasilgasifikasi berbahan baku cangkang sawit. Dari kurvadapat dilihat bahwa persentase C2H4, H2S, H2 dan COmengalami penurunan dengan meningkatnya rasiooksigen pengoksidasi yang digunakan. Persentase C2H4mengalami penurunan yang signifikan hingga rasiooksigen pengoksidasi mendekati 0,2, sedangkan untukH2, CO dan H2S, trend kurva memperlihatkan gradienpenurunan yang lebih rendah. N2 merupakan komponengas yang mengalami peningkatan drastis dengan naiknyarasio oksigen pengoksidasi.

CO2, H2O, NO2 dan SO2 merupakan komponen yangtidak terdapat pada rasio oksigen pengoksidasi yangrelatif kecil. Komponen CO2 baru terlihat pada rasiooksigen pengoksidasi sekitar 0,2. Persentase CO2kemudian terus mengalami peningkatan hingga rasiooksigen pengoksidasi sekitar 0,4-0,6. Trend yang samajuga terjadi untuk komponen H2O. H2O baru terlihatpada rasio oksigen pengoksidasi 0,55, kemudian terusmengalami peningkatan hingga rasio oksigenpengoksidasi 0,85 dengan persentase 12,707%.Persentase H2O selanjutnya turun hingga rasio oksigenpengoksidasi 1. Komponen NO2 baru terlihat pada rasio

pengoksidasi yang relatif tinggi yaitu pada rasio oksigenpengoksidasi mendekati 1. Persentase NO2 kemudianterus mengalami peningkatan dengan meningkatnyarasio oksigen pengoksidasi. Sama halnya dengan NO2,SO2 juga terbentuk pada rasio pengoksidasi yang relatiftinggi. SO2 baru terbentuk pada rasio oksigenpengoksidasi 0,85 dengan persentase yang relatif kecilyaitu 0,056%, selanjutnya mengalami sedikit penurunanhingga rasio pengoksidasi1.

Dari ketiga jenis biomassa yang disimulasi dapatdilihat bahwa rasio oksigen pengoksidasi berpengaruhterhadap komposisi gas yang dihasilkan. Pada rasiooksigen pengoksidasi yang relatif rendah, komponen komponen yang dihasilkan merupakan senyawa senyawa yang tidak teroksidasi sempurna seperti H2, CO,dan H2S. Pembentukan komponen H2 lebih dominan dariH2O pada rentang rasio oksigen pengoksidasi 0 sampai0,65. Pembentukan CO juga lebih dominan daripada CO2pada rasio oksigen yang rendah. Pembentukan CO lebihdominan daripada CO2 pada rentang rasio oksigenpengoksidasi 0 sampai 0,35.Rasio oksigen pengoksidasiyang rendah juga mendorong pembentukan H2S daripadaSO2. Pembentukan H2S lebih dominan daripada SO2hingga pada rasio oksigen pengoksidasi 0,8.

Gambar 6 juga menunjukkan bahwa karbon lebihmudah teroksidasi daripada unsur unsur lainnya sepertihidrogen, belerang dan nitrogen. CO2 telah terbentukpada rasio oksigen pengoksidasi 0,2, untuk pembentukanH2O dibutuhkan rasio oksigen pengoksidasi 0,55,sedangkan untuk NO2 dan SO2 dibutuhkan rasio oksigenpengoksisasi yang lebih tinggi yaitu 0,9 dan 0,85.Perbedaan tingkat kemudahan pembentukan komponen komponen tersebut disebabkan karena pada kondisidengan rasio oksigen yang relatif kecil akan terjadikompetisi pada reaksi reaksi yang mengkonsumsioksigen. Berdasarkan tinjauan termodinamika, reaksidengan energi bebas Gibbs yang lebih rendah akan lebihmudah berlangsung daripada reaksi dengan energi bebasGibbs yang lebih tinggi. Perbedaan energi bebas Gibbsreaksi menentukan tingkat spontanitas reaksi. Reaksidengan energi bebas Gibbs yang lebih rendah bersifatlebih spontan daripada reaksi dengan energi bebas Gibbsyang lebih tinggi. Kecenderungan ini menyebabkan Olebih mudah bereaksi dengan C yang lebih spontan(energi bebas Gibbs reaksi yang lebih rendah) untukmembentuk CO2 daripada bereaksi dengan H, S dan Nuntuk membentuk H2O, SO2, dan NO2. Kecenderngantersebut juga menyebabkan H2 dan H2S lebih dominandaripada H2O dan SO2 pada rasio oksigen pengoksidasiyang rendah.

3.4. Pengaruh Komposisi Agen Gasifikasi TerhadapKomposisi Gas Hasil Gasifikasi

Untuk melihat pengaruh komposisi agen gasifikasiterhadap komposisi gas hasil, model disimulasi denganmemvariasikan komposisi agen gasifikasi. Komposisiagen gasifikasi divariasikan mulai dari persentaseoksigen 21% (persentase oksigen pada udara) hinggapersentase oksigen 100% (oksigen murni). Kondisiproses yang digunakan adalah suhu 800 oC dan rasio

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

kom

posis

i ga

s ha

sil (d

ala

m%

)

rasio oksigen pengoksidasi

H2 CO H2O CO2 N2

NO2 SO2 C2H4 H2S

oksigen pengoksidasi 0,25. Grafik hasil data simulasiditampilkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Kurva pengaruh komposisi oksigen dalamagen gasifikasi terhadap gas hasil gasifikasi berbahanbaku cangkang sawit.

Gambar 7 menampilkan kurva pengaruh komposisiagen pengoksidasi terhadap komposisi gas hasilgasifikasi berbahan baku cangkang sawit Dari grafikdapat dilihat bahwa komposisi nitrogen pada gas hasilberkurang dengan meningkatnya komposisi oksigendalam agen gasifikasi. Komposisi nitrogen pada gas hasilturun dari persentase lebih dari 40% pada komposisiagen gasifikasi oksigen 21% menjadi 0% padakomposisi agen gasifikasi oksigen 100%. Gradienpenurunan kadar nitrogen tampak signifikan padapeningkatan kadar oksigen dari agen gasifikasi oksigen21% ke 30% dimana persentase nitrogen turun lebih dari10% dari persentase di atas 40% menjadi sekitar 30%.Gradien penurunan kadar nitrogen pada gas hasilkemudian menurun hingga komposisi agen gasifikasioksigen 100%. Dari gambar juga dapat dilihat bahwapersentase hidrogen dan karbonmonoksida mengalamikenaikan dengan meningkatnya kadar oksigen pada agengasifikasi. Untuk proses gasifikasi berbahan bakucangkang sawit, persentase hidrogen meningkat dari25,292% pada komposisi agen gasifikasi oksigen 21%menjadi 44,348% pada komposisi pada komposisioksigen 100% sedangkan CO meningkat dari 25,319%pada komposisi agen gasifikasi oksigen 21% menjadi43,874% pada komposisi oksigen 100%. Grafik jugamenunjukkan bahwa bahwa peningkatan kadar oksigendari 70% menjadi 100% tidak memberikan kenaikanyang lebih dari 5% terhadap persentase CO dan H2,untuk setiap kenaikan kadar oksigen sebesar 10% dari70% ke 100%, hanya meyebabkan kenaikan persentaseH2 dan CO kurang dari 1,5%.

Peningkatan kadar oksigen pada agen gasifikasimemberikan pengaruh yang signifikan baik terhadappeningkatan H2 dan CO maupun terhadap penurunan

kadar N2 pada komposisi agen gasifikasi hingga kadaragen gasifikasi oksigen 80%. Peningkatan komposisioksigen yang lebih dari 80% tidak memperlihatkanpengaruh yang signifikan terhadap peningkatan kadar H2dan CO dimana untuk setiap peningkatan kadar oksigen10% dari 80% ke 100%, persentase H2 dan CO hanyamengalami peningkatan sekitar 1%. Hasil yang samajuga dapat dilihat untuk N2, dimana untuk setiappeningkatan kadar oksigen 10% dari 80% ke 100%,persentase N2 hanya turun sekitar 2%.

4. KesimpulanModel yang dikembangkan pada penelitian ini dapat

memprediksi komposisi gas hasil gasifikasi terhadapperubahan jenis biomassa, rasio pengoksidasi dankomposisi agen gasifikasi. Hasil simulasi menunjukkanbahwa selisih persentase komposisi gas hasil simulasidengan hasil eksperimen berada pada kisaran di bawah6%. Selain itu, dari hasil simulasi komposisi gas hasilterhadap variasi komposisi biomassa, rasio pengoksidasidapat disimpulkan bahwa unsur O pada biomassaberkontribusi pada pembentukan CO2 yang lebihdominan daripada CO, sedangkan rasio oksigenpengoksidasi yang kecil cenderung mendorongpembentukan senyawa senyawa hidrokarbon.Peningkatan kadar oksigen pada agen pengoksidasi jugasangat berperan penting pada proses gasifikasi dimanapada kombinasi jenis biomassa cangkang sawit, rasiopengoksidasi 0,25 dan kadar oksigen di atas 70%, dapatdihasilkan kadar total H2 dan CO hingga persentasemelebihi 85%.

Daftar PustakaAtnaw, S.M., Sulaiman, S.A., Yusup, S., 2011, A

Simulation Study of Downdraft Gasification of Oil-Palm Fronds Using ASPEN PLUS, Journal OfApplied Sciences, Hal. 1-8

Buragohain, B., Mahanta, P., Moholkar, V.S., 2010,Thermodinamic Optimization of BiomassGasification for Decentralized Power Generation andFischer-Tropsch Synthesis, Energy, Vol. 35, Hal.2557-2579.

Coyle, W, 2007, The Future of Biofuels: A GlobalPerspective, Amber Waves, Vol. 5, Hal. 24-29.

Foley, G dan Barnard, G., 1985, Biomass Gasification inDeveloping Countries, Earthcan, London,UK.

Hall, D.O., 1997, Biomass Energy in IndustrialisedCountries - A View Of The Future. For Ecol.Manage. Vol. 91, Hal. 17-45.

Jarungthammachote, S., dan Dutta, A., 2007,Thermodinamic Equilibrium Model and Second LawAnalysis of a Downdraft Waste Gasifier, Energy,Vol. 32, Hal. 1660-1669.

Zainal, Z., Ali, R., Lean, C.H., Seetharamu, K.N., 2001,Prediction of Performance of Downdraft GasifierUsing Equilibrium Modeling for Different BiomassMaterials, Energy, Vol 42, Hal.1499-1515.

Daftar simbol

in mol unsur ke-i

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80 100

kom

posis

i ga

s ha

sil (d

ala

m %

)

komposisi oksigen dalam agen gasifikasi (dalam % )

H2 CO CO2 N2 H2S

,f iG energi bebas Gibbs pembentukan komponen i(MJ/kmol)

tG energi bebas Gibbs sistem (MJ/kmol)R konstanta gas universal (Pa.m3/mol.KT suhu (K)

CF jumlah mol unsur C pada biomassaHF jumlah mol unsur H pada biomassaOF jumlah mol unsur O pada biomassaNF jumlah mol unsur N pada biomassaSF jumlah mol unsur S padabiomassaCw persentase unsur C pada analisis ultimate

biomassa

Hw persentase unsur H pada analisis ultimatebiomassa

Ow persentase unsur O pada analisis ultimatebiomassa

Nw persentase unsur N pada analisis ultimatebiomassa

Sw persentase unsur S pada analisis ultimatebiomassa

W basis (kg)i konstanta Lagrange

L persamaan Lagrange,i jv jumlah atom ke-j pada komponen ke-i