## PENGARUH THERMAL WALL TERHADAP KARAKTERISTIK HIDRODINAMIKA DAN KARAKTERISTIK SYNGAS PADA DUAL

## FLUIDIZED BED GASIFIER BERBABAHAN BAKAR TEMPURUNG KELAPA DENGAN SIMULASI BERBASIS CPFD
Nur Aklis Mahasiswa Program Studi Doktor Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada Email: nur.aklis@ums.ac.id

## Tri Agung Rohmat
Departemen Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada triagung_rohmat@ugm.ac.id

## Harwin Saptoadi
Departemen Teknik Mesin dan Industri Universitas Gadjah Mada harwins@ugm.ac.id

## ABSTRAK
Artikel  ini membahas simulasi  pengaruh temperatur dinding atau thermal  wall atau  (t.w)  terhadap karakteristik  hidrodinamika  dan  karakteristik  syngas Dual  fluidized  bed  gasifier (DFBG)  dengan  bahan bakar  biomassa  tempurung  kelapa  berbasis computational  particle  fluid  dynamics  ( CPFD).  Simulasi dilakukan dengan menggunakan software paket Barracuda VR 17.1.0. Uap dengan suhu 423 K dan tekanan 101325 Pa digunakan sebagai agen gasifikasi. Partikel yang digunakan berupa pasir silika dengan densitas 2650  kg/m 3 dan  ukuran  antara  180  –  600  μm.  Ukuran  tempurung  kelapa  2  -  4  mm.  Parameter  operasi DFBG meliputi kecepatan uap di gasifier 1,5 m/s, kecepatan udara di riser sebesar 10 m/s, kecepatan udara di  L-valve  sebesar  1,57  m/s  dan  kecepatan  uap  di loop-seal sebesar  0,4  m/s  dan  0,5  m/s.  Grid  yang digunakan sejumlah 129.024 dan simulasi menggunkan 3 variasi thermal wall (t.w) masing-masing sebesar  873  K,  973  K  dan  1073  K.  Dari  hasil  simulasi  diketahui thermal  wall berpengaruh terhadap  karakteristik  hidrodinamika  yang  dihasilkan  simulasi  dimana  pada  simulasi  temperatur rendah  (t.w  =  873  K)  sirkulasi  material  bed  tampak  mengalami  penumpukan    di  riser  bagian bawah, hal  ini tidak terjadi pada sirkulasi  material bed yang dihasilkan oleh simulasi  dengan  t.w =973 K dan 1073 K. Komposisi dan distribusi spesies gas hasil gasifikasi yang dihasilkan simulasi dengan  t.w  yang  berbeda-beda  menunjukkan  kecenderungan  yang  sama,  dimana  masing-masing variasi  menghasilkan  gas  dengan  komposisi  yang  didominasi  CO  dan  H 2 .  Pengaruh  temperatur dinding terlihat pada naiknya komposisi dan yield masing-masing spesies gas., dimana kompoisisi gas  naik  5,78  %  saat  t.w  dinaikkan  dari  873  K  menjadi  973  K  dan  naik  2,8  %  saat  t.w  naik menjadi1073 K. Yield gas naik 20,4 % saat t.w naik dari 873 K menjadi 973 K, dan naik sebesar 17,5 % saat t.w berubah dari  973 K menjadi 1073 K. .
Kata kunci: dual fluidized bed gasifier, tempurung kelapa, CPFD, syngas, thermal wall

## ABSTRACT
This article presents the effect of the thermal wall ( t.w ) on hydrodynamic characteristics and syngas characteristics of Dual Fluidized bed Gasifier (DFBG) with coconut shell as a fuel based on  computational  particle  fluid  dynamics  (CPFD)  simulation.  The  Simulations  were  carried  out using the Barracuda VR 17.1.0 CPFD package software. Steam with a temperature of 423 K and a pressure of 101325 Pa was used as a gasification agent. Silica sand with a density of 2650 kg/m3 and size between 180 - 600 μm was used as bed material. The size of the coconut shell is  2-4 mm. DFBG was operated with operating parameters that include steam velocity in the gasifier of 1.5 m /s, air velocity in the riser of 10 m/s, air velocity in the L-valve of 1.57 m/s, and velocity of steam in the loop-seal  of  0.4 m/s and 0.5 m/s.  The  grid  used was 129,024 and the simulation  was carried out for 120 s. The simulation uses 3 variations of the thermal wall (t.w) of 873 K, 973 K, and 1073 K.  The  results  of  the  simulation  show  that  the  wall  temperature  affects  the  hydrodynamic characteristics produced by the simulation where at low temperature (tw = 873 K) the circulation of the bed material appears to be accumulated at the bottom of the riser, this does not occur in the circulation  of  the  bed  material  produced  by  the  simulation  with  t.w  =  973  K  and  1073  K.  The composition  and  distribution  of  the  syngas  resulting  from  the  simulation  with  different  thermal wall shows the same tendency, where each variation produces gas with a composition dominated by CO and H 2 . The effect of wthermal wall is seen in the increase in the composition and yield of each  gas  species.  The  effect  of  wall  temperature  is  seen  in  the  increase  in  the  composition  and yield of each gas species, where the gas composition increases by 5.78% when t.w increases from 873 K to 973 K and increases by 2.8% when t.w changes to 1073 K. The gas yield increases by 20, 4% when t.w increases from 873 K to 973 K, and increases by 17.5% when t.w changes to 1073 K,
Keywords: dual fluidized bed gasifier, coconut shell, CPFD, syngas, thermal wall

## 1.3 PENDAHULUAN
Saat ini bahan bakar minyak (BBM) masih menjadi sumber energi utama sektor otomotif. Tercatat pada tahun 2014 97, 2 % sektor otomotif menggunakan minyak sebagai bahan bakarnya. Data dari Badan Pusat Statistik (BPS) menunjukkan setiap tahunnya produksi kendaraan selalu meningkat  [1], sebaliknya jumlah produksi BBM setiap tahunnya mengalami penurunan  sehingga impor BBM Indonesia setiap tahun selalu  meningkat.  Ketergantungan  terhadap  impor  BBM  menyebabkan  persoalan  pada  ketahanan  energi sehingga diperlukan alternatif untuk sumber energi baru pengganti BBM untuk kebutuahan transportasi.
Biomassa memiliki  potensi untuk dikonversi menjadi bahan bakar otomotif melalui beberapa cara. Salah  satunya  adalah  dengan  model  proses  Fischer-Tropsch  (F-T).  Fischer-Tropsch  adalah  serangkaian proses reaksi kimia yang mengkonversi karbon monoksida dan hidrogen menjadi bahan bakar hidrokarbon cair. Tahapan Proses F-T meliputi  gasifikasi, pengkondisian dan pembersihan gas, tahap sintesa syngas di reaktor (F-T) dan tahap upgrade produk [2].
Gasifikasi merupakan tahap penting dalam proses konversi biomassa menjadi BTL-fuels. Gas hasil gasifikasi  berperan  sebagai  bahan  baku  proses  F-T.  Gasifikasi  adalah  konversi  termo-kimia  dari  bahan bakar padat seperti; batu bara, minyak bumi, coke , plastik, biomassa dan limbah padat menjadi gas yang bernilai guna melalui oksidasi parsial pada suhu tinggi dengan menggunakan agen gasifikasi. Agar dapat digunakan  sebagai  bahan  baku  proses  F-T  gas  yang  dihasil  gasifikasi  memiliki  syarat  tertentu. Ail&Dasappa  [3]  menjelaskan untuk  dapat dijadikan  bahan bakar Proses F-T, gas harus memiliki syarat tertentu salah satunya adalah perbandingan  H 2 /CO berada pada kisaran 0,6 – 2,5.
Salah  satu  biomassa  yang  memiliki  potensi  untuk  dimanfaatkan  menjadi  sebagai  bahan  bakar gasifikasi adalah limbah tempurung kelapa. Beberapa peneliti telah memanfaatkan tempurung kelapa untuk dikonversi menjadi gas dengan desain reaktor updraft, down draft dan fluidized bed [4], [5], [6] [7] . Hasil penelitian  menunjukkan bahwa  prosentase combustible  gas yang  dihasilkan  dan  H 2 /CO  masih  rendah. Salah  satu  langkah  yang  dapat  dilakukan  agar  gas  hasil  gasifikasi  memiliki  kualitas  gas  yang  dapat
digunakan sebagai bahan bakar proses F-T adalah dengan penggunaan teknologi gasifikasi dual fluidized bed gasifier (DFBG). Prinsip  kerja  DFBG dapat  dijelaskan  pada  gambar  2.  Reaktor  fluidisasi  dibagi  menjadi  2  daerah: daerah gasifikasi dan daerah pembakaran. Sebagaimana dalam Gambar 2 bahan bakar  padat  dikonversi menjadi  gas  di  reaktor  gasifikasi.  Arang  yang  tersisa  di  proses  gasifikasi  bersama  dengan  pasir  akan mengalir  ke  reaktor  pembakaran.  Di  reaktor    pembakaran,  arang  bertemu  dengan  udara  sehingga  terjadi reaksi pembakaran yang menghasilkan kalor dan flue gas . Kalor tersebut diserap oleh pasir. Pasir dengan temperatur  tinggi  akan  bersirkulasi  kembali    ke  gasifier  untuk  mensuplai  kebutuhan  energi  reaksi endotermis gasifikasi. Flue gas hasil pembakaran keluar dari sistem.
Penelitian  eksperimen  pengembangan  dual  fluidized  bed  gasifier  (DFBG)  telah  dilakukan  oleh beberapa peneliti. Penelitian eksperimen secara garis  besar dilakukan dalam dua tahapan yaitu penelitian dengan pengujian cold  flow model dan penelitian performa. Penelitian pengujian dingin atau cold model flow [8] , [9], [10] yang bertujuan untuk mengetahui karakteristik hidrodinamika DFBG dan  uji performa gasifier, [11], [12], [13].  Studi yang dilakukan telah menunjukkan keunggulan DFBG, namun metode ini memiliki  keterbatasan  dalam  investigasi  karakteristik  dan  fenomena  yang  terjadi  pada  saat  DFBG beroperasi. Di samping itu untuk mendapatkan hasil yang optimum, dalam studi eksperimen proses trial and error membutuhkan sumber daya yang besar.
Gambar 2. Prinsip Kerja Dual Fluidized Bed Gasifier[14],[15]
Untuk  memahami  kompleksitas  karakteristik  dan  fenomena  dalam  DFBG,  beberapa  peneliti melakukan penelitian dengan pemodelan dan simulasi. Studi tentang DFBG dengan metode simulasi telah dilakukan beberapa peneliti dengan beberapa model simulasi. Doherty et. al melakukan pemodelan DFBG berbasis  Gibs  free  energy  minimisation,  nol-dimensi  menggunakan  software  Aspen  Plus.  Hasil  simulasi menunjukkan temperatur gasifikasi  berpengaruh  signifikan terhadap  komposisi  syngas, LHV  syngas dan CGE, sedangkan kandungan moisture content berpengaruh signifikan terhadap CGE, STBR berpengaruh signifikan  terhadap  LHV  syngas. Air-fuel  ratio tidak  berpengaruh  signifikan  terhadap  komposisi  syngas. Temperatur  udara  dan  temperatur  uap  tidak  berpengaruh  signifikan  terhadap  syngas,  LHV  dan  CGE. Meskipun telah divalidasi dengan data eksperimen yang menghasilkan kesesuaian dengan data eksperimen, namun simulasi ini dilakukan pada kondisi steadi dan belum melibatkan persamaan hidrodinamika gas dan partikel  [16].  Shen  et.al  melakukan  simulasi  DFBG interconnected  fluidized  bed dengan  menggunakan Aspen Plus.  Simulasi dilakukan untuk mengetahui pengaruh temperatur gasifikasi dan perbandingan uap dan biomassa terhadap komposisi H 2 yang dihasilkan.  Hasil  simulasi menunjukkan temperatur gasifikasi optimum  diantara  750  sampai  800 o C,  temeperatur  pembakaran  920 o C  dan  perbandingan  uap/biomassa diantara 0,6 sampai 0,7[17]. Yan melakukan simulasi DFBG dengan menggabungkan persamaan kinetika
dan persamaan hidrodinamika. Model diasumsikan sebagai proses satu dimensi dan steady state . Simulasi dilakukan dengan software Aspen plus yang dihubungkan dengan FORTRAN.  Dari  simulasi  didapatkan hasil  bahwa  laju  aliran  biomassa,  perbandingan  uap  dan  biomassa,  dan  laju  sirkulasi  pasir  berpengaruh terhadap komposisi gas yang dihasilkan. Walaupun sudah mampu menunjukkan hasil yang sesuai dengan eksperimen,  fenomena  yang  terjadi  di  DFBG  cenderung  lebih  rumit  dan  kompleks  sehingga  diperlukan model  yang  mampu  menggambarkan  karakteristik  tiga  dimensi  DFBG  baik  karakteristik  hidrodinamika, temperatur sistem dan maupun karakteristik gas yang dihasilkan[18].
Untuk  mendapatkan  gambaran  lebih  detail  karakteristik  hidrodinamika  sekaligus  komposisi  dan distribusi hasil gas   di DFBG, beberapa peneliti menggunakan model simulasi berbasis computational fluid dynamics  (CFD)  berbasis Multiphase  Particle-In-Cell (MP-PIC).  MP-IC  adalah  model  yang  berbasis Eulerian-Lagrangian dengan memetakan partikel yang memiliki kesamaan properti dalam satu parcel. Saat masuk ke grid parcel diperlakukan sebagai kontinum sebagaimana sifat fluida dan keluar dari grid parcel dikembalikan lagi sebagai partikel tunggal [19]. Pertama kali diperkenalkan oleh Andrews dan O’Rourke (1996), metode MP-IC merupakan pengembangan dari metode stochastic particle KIVA code [20]. Kraft et. al melakuan simulasi cold flow model tentang pengaruh drag model terhadap pressure dan recirculating  rate  dengan  menggunakan  drag  laws    energy-minimization  multiscale  (EMMS),  Ganser, Turton–Levenspiel,  Wen–Yu/Ergun.  Hasil  simulasi  dibandingkan  dengan  hasil  eksperimen.  Dari  empat drag  laws  model  didapatkan  hasil  perbedaan  yang  signifikan  anatara  hasil  simulasi  dan  eksperimen, walupun  demikian  Ganser  cocok  untuk  mensimulasikan  recirculating  rate,  sedang  EMMS  cocok  untuk mensimulasikan tekanan [21].
Liu, et. al melakukan simulasi cold flow model dengan CPFD. Pengaruh parameter operasi meliputi suplai udara di riser, suplai uap terhadap laju sirkulasi pasir.  Terdapat 3 buah air suplay di riser, dimana 1 dan  2  berada  di  riser  bagian  bawah,  sedangkan  air  suplay  berada  pada  tengah  yang  lebih  tinggi  dari  air suplay 1 dan 2. Dari simulasi di dapatkan pengaruh kecepatan udara di air suplay bagian bawah (1 dan 2) berpengaruh lebih signifikan dibanding dengan kenaikan kecepatan udara di bagian atas (3). Hasil ini sesuai dengan yang didapatkan oleh data eksperimen yang didapat oleh Löffler et al. (2003) dan Kreuzeder et al. (2007)[22].
Liu et.al  [23]  melakukan  simulasi 3 dimensi DFBG  pengaruh parameter simulasi meliputasi mesh resulution dan particel computational number dan karakteristik partikel berupa Particel Size Distribution (PSD) terhadap karakteritik hidrodinamik dan performa Biomass DFBG. Hasil simulasi parameter simulasi menunjukkan  mesh  relosution  dan  particel  computational  yang  berbeda  tidak  berpengaruh  signifikan terhadap  komposisi  syngas  yang  dihasilkan.  Hasil  simulasi  komposisi  gas  dibandingkan  dengan  hasil eksperimen  dan  menunjukkan  kecenderungan  yang  sama.  Pengaruh  dari  perbedaaan drag  model yang digunakan  terhadap  komposisi  gas  tidak  signifikan.  Hal  ini  disebabkan  karena  pengaruh drag  model terhadap  karakteristik  hidrodinamiknya  tidak  signifikan.  PSD  memiliki  pengaruh  signifikan  pada ketinggaian bawah tetapi pada bagian atas tidak berpengaruh.
Kraft et.al [24]melakukan simulasi DFBG skala industri di CHP plant at Güssing yang bertujuan utuk memvalidasi hasil eksperimen berbasis CPFD. Parameter simulasi yang digunakan meliputi circulating rate, visualisasi  rezim  fluidisasi  dan  pressure  dop  pada  tiap  bagain  komponen,  temperatur  dalam  sistem, komposisi gas yang dihasilkan dan karakteritik pencampuran partikel. Dari simulasi yang telah dilakukan didapatkan  hasil  bahwa  temperature  dan  komposisi  gas  menunjukkan  hasil  yang  sesuai  dengan  hasil eksperimen. Secara kuantitatif simulasi juga mampu menjelaskan rezim fluidisasi yang terjadi pada gasifier, reaktor  pembakaran,  loop-seal  dan  chute,  tetapi  untuk  penggambaran  karakteristik  pencampuran  partikel simulasi belum mencapai hasil yang optimum.
Paper  ini  membahas  konversi  biomassa  tempurung  kelapa  menjadi  syngas  pada  reaktor  DFBG dengan  dengan  metode  simulasi  CPFD    mengunakan  software  paket  barracuda  dengan  beberapa  variasi temperatur operasi.

## 2.  METODE SIMULASI

## 2.1 Geometri Reaktor
Model  reaktor  yang  digunakan  pada  paper  ini  adalah  model  reaktor  yang  menyerupai instalasi dual fluidized bed gasifier yang ada di Laboratorium Konversi Energi Universitas Gadjah Mada. Geometri dan ukuran bagian pokok reaktor dapat dilihat pada Gambar 2. Sebagaimana yang tergambar di Gambar 2 (a) model DFBG terdiri dari 2 buah reaktor yaitu reaktor gasifikasi dengan ukuran diameter 200 mm, tinggi 2000 mm, dan riser  sebagai reaktor pembakaran berdiameter 114 mm dan tinggi 3000 mm. Kedua reaktor dihubungkan dengan katup non-mekanik berupa loop-seal yang  menghubungkan  reaktor  bagian  atas  dan L-valve yang  menghubungkan  reaktor  bagian bawah.  Penggunaan  katup  non-mekanik  bertujuan  untuk  mencegah  terjadinya  aliran  gas  dari reaktor  pembakaran  ke    gasifier  dan  sebaliknya  dari  reaktor  gasifikasi  ke  reaktor  pembakaran. Siklon  berfungi  untuk  memisahkan  flue  gas  dengan  pasir  bertemperatur  tinggi.  Bahan  bakar dimasukkan ke reaktor melalui feeder yang dipasang di gasifier.
Proses  operasi  DFBG  dapat  dijelaskan  sebagaimana  pada  gambar  2  (b).  Gambar  2  (b) menunjukkan  kondisi  awal  operasi  dimana  gasifier,  L-valve  dan  lop-seal  diisi  pasir  sebagai material  material. Pasir dipanaskan pada suhu tertentu. Uap sebagai agen gasifikasi dialirkan dari bawah  gasifier  dan  pada  tahapdan  biomassa  dimasukkan  dari screw  feeder .  Biomassa  akan tergasifikasi dan akan menghasilkan syngas yang mengalir ke atas keluar dari gasifier. Arang sisa proses  gasifikasi  mengalir  bersama  pasir  ke riser dan  akan  bertemu  dengan  udara  yang  dialirkan dari  bawah  riser  sehingga  akan  terjadi  proses  pembakaran.  Kalor  hasil  proses  pembakaran memanaskan pasir. Di siklon pasir yang bertemperatur tinggi terpisah dengan flue gas , dimana flue gas akan  keluar  dari  siklon  sedangkan  pasir  akan  turun  ke  bawah  masuk  ke  loop-seal  yang selanjutnya  bersirkulasi  kembali  ke  gasifier  untuk  mensuplai  kalor  yang  dibutuhkan  proses endoterm gasifikasi.
Geometri  reaktor  didefinisikan  sebagai  domain  komputasi  dengan  grid  yang  digunakan sejumlah 129.024.
200 mm 2 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m 114 mm Screw feeder L-valve riser gasifier Loop- seal Siklon udara udara Uap Uap Biomassa syngas Flue gas
Gambar 2. (a) Geometri dan ukuran reaktor (b) Pemodelan operasi reaktor
(a) (b) pasir

## 2.2 Karakteristik Bahan bakar dan Partikel
Simulasi  yang  dilakukan  menggunakan  bahan  bakar  tempurung  kelapa  dengan  properti sebagaimana  yang  tertulis  di  Tabel  1.  Pasir  silika  dipilih  sebagai  material  bed,  dimana  properti pasir silika dapat dilihat pada Tabel 2. 2.3 Persamaan Atur  dan Persamaan Reaksi Kimia
Pemodelan  persamaan dual  fluidized  bed  gasifier melibatkan  2  model  persamaan,  yaitu persamaan aliran gas-partikel dan persamaan reaksi kimia gasifikasi. Persamaan aliran gas-partikel menggunakan  persamaan multiphase  particle-in-cell (MP-PIC).  Aliran  gas  diselesaikan  dengan persamaan  Eulerian  sedangkan  partikel  di  selesaikan  dengan  Lagrangian  dimodifikasi  dengan model MP-PIC [25], [26].
Reaksi gasifikasi dimodelkan dengan model kinetika reaksi dimana proses tahapan gasifikasi meliputi  proses dryng ,  pirolisis  dan  proses  reaksi  heterogen  dan  proses  reaksi  homogen.  Pada simulasi  ini  biomassa  yang  dimasukkan  ke  reaktor  gasifier  diasumsikan  terdiri  dari volatile  dan fixed  carbon sehingga  proses  gasifikasi  dimulai  dari  proses  devolatilisasi.  Proses  devolatilisasi menghasilkan char dan gas  volatile berupa  CO,  CO 2 ,  H 2 ,  CH 4 .    Reaksi  berikutnya  dimodelkan terjadi reaksi  heteregeneuos antara char dengan gas yang berasal uap yang alirkan ke reaktor dan gas species hasil pirolisis yang dan reaksi homogeneus antar gas spesies hasil pirolisis. Char yang tersisa mengalir ke riser dan di dalam riser akan bereaksi dengan O 2 dari udara yang mengalir dari bawah distributor riser untuk menghasilkan kalor untuk dikirim ke reaktor gasifier. Detail tiap-tiap tahapan reaksi dijelaskan pada Tabel 3.
Tabel 1 Properti biomassa temperung kelapa Karakteristik Proksimate* Moisture (%) - Ash (%) - Fixed carbon (%) 19,18 Volatile Matter (%) 80,82 Ultimate* Karbon (%) 52,67 Hidrogen (%) 5,75 Nitrogen (%) - Sulfur (%) 0,42 Oksigen (%) 41,16 Nilai Kalor (HHV) (cal/g) 4.850 Jari-jari minimal (mm) 1,00 Maksimal (mm) 2,00 Densitas Fixed Carbon (kg/m 3 ) 2100 Volatile Matter (kg/m 3 ) 1000
*Proksimate dan ultimate didefinisikan pada kondisi dry and ash-free basis (daf) Tabel 2 Karakteristik pasir silika Karakteristik Nilai Ukuran jari-jari minimum (mm) 90 x 10 -3 Ukuran jari-jari maksimum (mm) 180 x 10 -3 Densitas (kg/m 3 ) 2650
Tabel 3  Persamaan reaksi dan kinetika [27], [28], [29] NO Persamaan Reaksi Kinetika R1 Biomass → char + Volatile gas
R2 C + O 2 → 2CO R3 C + H 2 O ↔ CO + H 2
R4 C + CO 2 ↔ 2CO
R5 C + 2H 2 ↔ CH 4 R6 CO + H 2 O ↔  CO 2 + H 2
R7 CO + 0,5O 2 → CO 2

## 2.3 Kondisi Awal  dan Kondisi Batas
Kondisi awal (ICs) dan kondisi batas (BCs) diperlukan untuk menyelesaikan persamaan atur simulasi. Kondisi  awal  dan  kondisi  batas  ditentukan  berdasarkan  kondisi  fisis  operasi  dual  fluidized  bed  gasifier. Sebelum  dioperasikan,  gasifier  dimodelkan  terisi  dengan  pasir  dengan  ketinggian  0,3  m,  temperatur awalnya 973 K  dan tekanan 101325 Pa. Loop-seal dan l-valve juga terisi pasir dengan temperatur 300 K. Bagian  yang  tidak  terisi  pasir  diisi  oleh  udara  dengan  temperature  dan  tekanan  sesuai  dengan  bagian masing-masing.
Kondisi  batas  didefinisikan  sebagai  perlakuan  terhadap  bagian  terluar  domain  simulasi.  Dalam simulasi DFBG kondisi batas diidentifikasi dengan tekanan, temperatur, kecepatan dan spesies yang masuk maupun yang keluar pada bagian tertentu dari domain komputasi. Parameter kondisi batas dalam simulasi ini  meliputi  laju  pengumpanan  masuk  biomassa  pada screw  feeder sebesar  0,0078  kg/s,  temperatur  uap yang masuk gasifier sebesar 423 K. Kecepatan uap masuk ke gasifier sebesar 0,15 m/s. Kecepatan udara masuk ke L-valve sebesar 1,57 m/s. Kecepatan udara masuk ke riser 10 m/s. Temperatur udara masuk ke riser sebesar 1173 K. Uap dengan temperatur 423 K masuk ke loop-seal dengan kecepatan 0,4 dan 0,5 m/s.
Simulasi dilakukan dengan variasi temperature pada dinding (thermal wall, t.w ) dengan variasi 873 K, 973 K, dan 1073 K.

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Dual Fluidized bed gasifier terdiri dari bagian-bagian terhubung dimana fenomena yang terjadi rumit dan kompleks. Dengan metode simulasi, fenomena tersebut dapat terekam dalam bentuk angka dan kontur sesuai dengan pengaturan data output yang diinputkan. Karakteristik hidrodinamik berupa sirkulasi pasir, dan karakterisik gas hasil gasifikasi berupa distribusi,  komposisi, dan yield akan dibahas dalam bagian ini. 3.1 Pengaruh Thermal Wall terhadap Karaktersitik Hidrodinamika
Gambar 3 menunjukkan karakteristik hidrodinamika dual fluidized bed gasifier yang dihasilkan tiga variasi simulasi masing-masing (a) untuk t.w= 873 K, (b) untuk  t.w=973 K dan (c) untuk t.w = 1073 K. Dari gambar diketahui pada detik ke- 0,4 partikel di loop-seal mulai mengalir ke gasifier. Partikel di L-valve juga mulai mengalir ke riser dalam jumlah yang relative lebih sedikit. Pada detik ini tidak terjadi perbedaan yang  signifikan  pada  karakteristik  hidrodinamika  di  gasifier.  Simulasi  dengan  variasi t.w menghasilkan karaketristik yang hampir sama dimana gelembung mulai terbentuk di gasifier dibagian bawah. Ekspansi bed yang ditunjukkan ketiga hasil simulasi juga identik dimana bed hanya  sedikit terekspansi. Pada detik ke-1  partikel  dari  L-valve  sudah  mulai  mengalir  ke  riser  dimana  transport  partikel  baru  mencapai  riser bagian  bawah.    Pada  bed  gasifier  bubble    terlihat  di  bed  bagian  atas  dan  bagian  bawah.  Di  detik  ke-40, tampak di hasil simulasi t.w = 873 K  terjadi penumpukan partikel dibagian bawah riser. Hal ini berakibat partikel yang keluar dari riser tidak terlihat.   Hasil berbeda ditunjukkan oleh simulasi dengan t.w = 973 K dan 1073 K dimana pada detik ke-40 partikel sudah tersirkulasi sempurna. Karakteristik hidrodinamika di gasifier  pada  detik  ke-40  menunjukkan  perbedaan  yang  signifikan  di  karakteristik  hidrodinamika  yang dihasilkan  simulasi  dengan    t.w  =1073  K  dimana  bubble  yang  terbentuk  berukuran  lebih  besar  jika dibandingkan dengan hasil simulasi t.w =873 K dan t.w = 973 K.
Pada detik ke-90  sirkulasi partikel yang  dihasilkan  simulasi dengan t.w = 873 K belum sempurna, partikel baru tersirkulasi sampai ke loop-seal. Pada detik ke-90 juga dapat diamati  terjadinya ekspansi bed material di gasifier yang ditunjukkan hasil dari simulasi dengan t.w =973 K dan t.w = 1073 K. Pada detik ke- 100 dan ke -120 sirkulasi partikel di hasil simulasi loop-seal tampak relatif  lebih kecil jika dibandingkan dengan sirkulasi partikel hasil simulasi  t.w  = 973 K dan 1073 K. Hal ini disebabkan partikel di simulasi dengan t.w = 873 K menumpuk di bagian bawah riser.

## 3.2 Karakteristik gas hasil simulasi
Gambar  4  menunjukkan  distribusi  gas  hasil  gasifikasi  dimana  Gambar  4  (a)  untuk  simulasi dengan t.w = 873 K, 6 (b) untuk simulasi dengan t.w =973 K dan 6 (c) untuk simulasi dengan t.w =  1073  K.  Dari  gambar  tampak  diketahui  distribusi  gas  hasil  simulasi  dengan  variasi  t.w menunjukkan  kecenderungan  yang  sama.  Sebagaimana  dalam  prinsip  kerja  DFBG  dengan  agen gasifikasi  uap,  uap  dialirkan  ke  gasifikasi  dari  bagian  bawah  gasifikasi  sedangkan  biomassa dimasukkan  ke  gasifier  dari  screw  feeder  yang  berada  di  gasifier.  Masuknya  uap  dari  bawah gasifier menyebabkan uap terlihat memenuhi daerah bagian bawah bed. Konsentrasi tertinggi gas CH 4 , CO, CO 2 dan H 2 yang merupakan gas hasil konversi biomassa terlihat di daerah sekitar screw feeder.  Di  antara  daerah  dominan  gas  CH 4 ,  CO,  CO 2 dan  H 2 tampak  daerah  transisi  yang konsenterasi  antara  uap  dengan  gas  cenderung  seimbang.  Di  daerah  sekitar  saluran  penghubung antara  gasifier  dengan  loop-seal  konsenterasi  CH 4 ,  CO,  CO 2 dan  H 2 menurun,  sedangkan konsentrasi uap terlihat naik.
Hal  ini  disebabkan  oleh  masuknya  uap  dari  loop-seal  yang  mengalir  ke  gasifier.  Perubahan konsenterasi  pada  gasifier  menunjukkan  konsenterasi  CH 4 ,  CO,  CO 2 dan  H 2 cenderung berkebalikan dengan konsenterasi uap. Pada bagian free board di atas  saluran penghubung antara gasifier  dengan loop-seal ,  konsentrasi    CH 4 ,  CO 2 ,  H 2 terlihat  naik . Dari  gambar  juga  dapat diketahui gas hasil gasifikasi tidak mengandung N 2 dan O 2 .
Konsenterasi  gas  CH 4 ,  CO,  CO 2 dan  H 2 tertinggi  yang  terbentuk  di  daerah  dekat  masuk biomassa  menunjukkan  proses  pirolisis  sebagai  awal  proses  gasifikasi  terjadi  sesaat  setelah biomassa masuk ke gasifier. Karena konsenterasi gas CH 4 , CO, CO 2 naik konsenterasi uap turun. Menurunnya konsentrasi uap juga diakibatkan oleh reaksi heterogen antara  uap (H 2 O) dalam fase gas yang bereaksi dengan karbon (padat) dalam reaksi water-gas or steam yang menghasilkan CO dan H 2 .  Di bagian atas gasifier, distribusi gas CH 4 , CO, CO 2 dan H 2 menunjukkan kecenderungan yang  berbeda-beda.  Kenaikan  konsenterasi  CO 2 tampak  lebih  besar  jika  dibandingkan  dengan kenaikan konsentrasi  gas yang lainnya. Sedangkan kenaikan gas CO tampak paling kecil. Hal  ini menunjukkan  reaksi  homogen  antara  uap  dengan  gas  hasil  pirolisis  di  bagian  atas  gasifier didominasi  reaksi shift  reaction yaitu  reaksi  antara  CO  dengan  uap  yang  menghasilkan  CO 2 dan H 2 .
0,0 0,4 1,0 40 90 100 120 (a)
(b)
Gambar 3 Karakteristik Hidrodinamika (a) t.w = 873 K, (b) t.w= 973 K dan (c) t.w=1073 K
CH 4 CO CO 2 H 2 H 2 O N 2 (c) (a)
(b)
Gambar 4 Karakteristik Hidrodinamika (a) t.w = 873 K, (b) t.w= 973 K dan (c) t.w=1073 K
Sebagaimana  diketahui  temperatur  adalah  salah  satu  faktor  yang  mempengaruhi pembentukan gas pada pirolisis. Dalam gambar terlihat konsentrasi  gas yang dihasilkan simulasi dengan  t.w  =873  K  tampak  lebih  rendah  jika  dibandingkan  dengan  konsenterasi  gas  yang dihasilkan simulasi dengan t.w = 973 k dan 1073 K. Pengaruh besarnya t.w terhadap distribusi gas tampak  pada  pembentukan  gas  di  atas  gasifier  dimana  kenikan  konsentrasi  gas  terjadi  dibagian dekat dinding  reaktor yang memiliki temperatur lebih tinggi jika dibanding dengan bagian tengah gasifier.

## Komposisi Gas
Gambar 5 Komposisi Gas Hasil simulasi (gas basah).
Gambar 5 menunjukkan komposisi gas dalam bentuk fraksi mol  hasil simulasi dengan t.w = 873  K,  973  K  dan  1073  K.  Data  diambil  dari  transien  poin  spesies  gas  yang  dipasang  di  daerah saluran keluar gas hasil gasifikasi. Dari gambar diketahui untuk semua variasi simulasi  komposisi gas dengan komposis tertinggi adalah CO, diikuti  H 2 , CH 4 dan CO 2 .  Simulasi dengan t.w=873 K menghasilkan komposisi gas dengan komposisi 22,05 % CO, 16, 45 % H 2 , 8,20 % CH 4 , dan 5,77 %  CO 2 .  Komposisi  ini  berubah  saat  t.w  dinaikkan  menjadi  973  K  dengan  komposisi  sebagai berikut  23,40  %  CO,  17,45  %  H 2 ,  8,70  %  CH 4 ,  dan  6,12  %  CO 2. Dengan  menghitung  dalam prosentase  perubahan  komposisi  yang  terjadi  pada  masing-masing  spesies,  gas  mengalami
(c)
kenaikan sebesar 5,78 % saat t.w dinaikkan dari 873 K menjadi 973 K.  Pada simulasi dengan t.w = 1073 K komposisi gas yang dihasilkan sebagai  berikut 24,07 % CO, 17,96 % H 2 , 8,96 % CH 4 , dan  6,30    %  CO 2. Nilai  ini  lebih  besar  2,8  %  dari  komposisi  gas  yang  dihasilkan  pada  simulasi dengan t.w = 973 K . Perbandingan  H 2 /CO  pada  masing-masing  simulasi  menunjukkan  angka  yang  sama  yaitu 0,75.  Dominannya  komposisi  CO  pada  gas  yang  dihasilkan  disebabkan  proses  awal  gasifikasi terjadi pada temperatur rendah.Komposisi H 2 O untuk masing-masing hasil simulasi menunjukkan angka 47,53 % untuk simulasi dengan t.w=873 K, 44,32 % untuk t.w = 973 K dan 42,72 % untuk t.w = 1073 K. Kandungan uap yang relatif tinggi ini disebabkan adanya uap yang masuk dari loop- seal ke  gasifier  bersama  dengan  pasir.  Kenaikan  t.w  dari  873  K  menjadi  973  K  menyebabkan konversi  uap  naik  sebesar  7,23  %,  sedangkan    dari  973  K  ke  1073  K  konversi  uap  naik  sebesar 3,76 %.
Tabel 4 Lower Heating Value (LHV) t.w (K) LHV (MJ/nm 3 ) 873 7.50 973 7.96 1073 8.19
Tabel  4  menunjukkan nilai kandungan kalor  LHV  gas hasil simulasi. Dari  tabel  3  diketahui peningkatan  temperatur  dinding  menyebabkan  kandungan  kalor  gas  meningkat.  Peningkatan  ini linier dengan peningkatan komposisi CO, H 2 dan CH 4 .

## Yield Gas
Gambar  6  menunjukkan  yield  gas  hasil  simulasi.  Data  diambil  dari  jumlah  total  gas  yang melewati flux  plane yang  dipasang  pada  bagian  atas  gasifier  selama  simulasi.  Dari  gambar diketahui yield tertinggi untuk masing-masing simulasi ditunjukkan gas CO, disusul CO 2 , CH 4 dan H 2 .  Kenaikan  t.w  yield  spesies  gas  meningkat.  Kenaikan  t.w  dari  873  K  menjadi  973  K menyebabkan yield CO naik dari  0,226 menjadi 0,283 pada simulasi dengan t.w = 973 K dan naik menjadi 0,344 pada simulasi dengan t.w =1073 K. Yield CO 2 juga  menunjukkan kenaikan saat t.w naik , dimana  saat t.w = 873 K yield CO 2 sebesar  0,093 berubah menjadi 0,116 saat t.w =973 K dan naik menjadi 0,141 saat t.w =  1073 K. Yield CH 4 naik dari 0,048 menjadi 0,060 saat t.w naik dari 873 K menjadi 973 K dan berubah menjadi 0,073 saat t.w berubah menjadi 0,073. Yield gas H 2 pada simulasi dengan t.w =873 K sebesar 0,012 dan naik menjadi 0,015 pada simulasi t.w =973 K dan naik menjadi 0,018 saat t.w berubah menjadi 1073 K. Kenaikan t.w dari 873 K menjadi 973 K  menyebabkan yield  gas naik  sebesar  20,4 %,  sedangkan  perubahan  t.w  dari  973  K  ke  1073  K menyebabkan kenaikan yield sebesar 17.5 %.
Gambar 6 Yield Gas

## KESIMPULAN
Simulasi  berbasis computational  Particle  Fluid  dynamics (CPFD)  pada Dual  Fluidized  bed gasifier berbahan  bakar  tempurung  kelapa  dengan  agen  gasifikasi  uap  telah  dilakukan.  Simulasi dilakukan  untuk  mengetahui  pengaruh thermal  wall (t.w)  pada  dinding  gasifier  terhadap karakteristik  hidrodinamika  dan  karakteristik  syngas. Thermal  wall (t.w)  yang  digunakan  di simulasi ini sebesar  873 K, 973 K dan 1073 K.
Karakteristik  hidrodinamika  pada  masing-masing  komponen  DFBG  tampak  dapat  tervisualisasi dengan  baik,  dimana  masing-masing  komponen  dapat  beroperasi  sesuai  dengan  rezim  yang direncanakan yaitu gasifier dan loop-seal dalam mode bubbling , riser dalam mode fast fluidization dan L-valve pada  mode fixed  bed .    Pengaruh  Thermal  wall  terlihat  pada    karakteristik hidrodinamika DFBG, dimana simulasi dengan t.w =873 K menghasilkan penumpukan partikel di bagian bawah riser .
Komposisi  dan  distribusi  gas  yang  dihasilkan  oleh  simulasi  dengan  variasi  t.w  menunjukkan kecenderungan yang sama dimana gas yang dihasilkan didominasi  oleh gas CO, disusul  H 2 , CO 2 dan  CH 4 .  Pembentukan  gas  berawal  di  daerah  biomassa  masuk  dan  komposisi  akan  berubah seiring  dengan  ketinggian  reaktor.  Pengaruh  t.w  terhadap  karakteristik  gas  tampak  pada  naiknya jumlah  uap  yang  terkonversi  menjadi  gas  CO,  H 2 ,  CO 2 dan  CH 4 saat  t.w  naik  dimana  uap  yang terkonversi  menjadi  gas  naik  sebesar  7,23    %  saat  t.w  naik  dari  873  K  menjadi  973  K  dan  naik sebesar  3,76  %  saat  t.w  berubah  dari  973  K  menjadi  1073  K.  Kenaikan  ini  terdistribusi  ke kenaikan komposisi gas CO, H 2 , CO 2 dan CH 4 seragam sebesar 5,78 % saat t.w berubah dari 873 K  ke  973  K  dan  2,8  %  saat  t.w  naik  dari  973  K  ke  1073  K. Thermal  wall juga  berpengaruh signifikan terhadap yield gas yang dihasilkan dimana t.w naik akan menyebabkan yield gas naik.

## PERSANTUNAN
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Lembaga  pengelola  Dana  Pendidikan  (LPDP) Kementerian Keuangan Republik Indoneisa yang telah memberi beasiswa kepada penulis melauli skem Beasiswa Unggulan Dosen Indonesia Dalam Negeri (BUDI-DN) tahun 2016.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] www.bps.go,id
[2] A. Lappas and E. Heracleous, Production of biofuels via Fischer-Tropsch synthesis: Biomass-to-liquids. Biomass-to-liquids. Elsevier Ltd, 2016.
[3] S. S. Ail and S. Dasappa, ‘Biomass to liquid transportation fuel via Fischer Tropsch synthesis – Technology review and current scenario’, Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 58, pp. 267–286, 2016.
[4] F. Vidian, ‘Gasifikasi Tempurung Kelapa Menggunakan Updraft Gasifier pada Beberapa
Variasi Laju Alir Udara Pembakaran’, J. Tek. MESIN , vol. 10, pp. 88–93, 2008.
[5] I. G. H. Gunawan, M. Sucipta, I. Nyoman, and S. Winaya, ‘Analisis Performansi Reaktor Gasifikasi Updraft Dengan Bahan Bakar Tempurung Kelapa’, vol. 1, no. 2, pp. 28–34, 2015.
[6] G. Venkatesh, P. R. Reddy, and S. Kotari, ‘ScienceDirect Generation of producer gas using coconut shells and sugar cane bagasse in updraft gasifier’, Mater. Today Proc. , vol. 4, no. 8, pp. 9203–9209, 2017.
[7] M. Senthil and S. Vivekanandan, ‘Effect of Processing Parameters on the Biomass Gasification of Coconut Shell’, no. 7, pp. 388–397, 2016.
[8] M. K. Karmakar and A. B. Datta, ‘Hydrodynamics of a dual fluidized bed gasifier’, Adv. Powder Technol. , vol. 21, no. 5, pp. 521–528, 2010.
[9] S. Shrestha, B. S. Ali, B. M. Jan, M. Diana, B. Hamid, and K. El Sheikh, ‘Hydrodynamic characteristics in cold model of dual fl uidized bed gasi fi ers’, vol. 286, pp. 246–256, 2015.
[10] M. Tzeng, W. Saw, and S. Pang, ‘Particuology Effect of fluidizing velocity on gas bypass and solid fraction in a dual fluidized bed gasifier and a cold model’, Particuology , vol. 18, pp. 58–65, 2015.
[11] S. Kern, C. Pfeifer, and H. Hofbauer, ‘Gasification of lignite in a dual fluidized bed gasifier - Influence of bed material particle size and the amount of steam’, Fuel Process. Technol. , vol. 111, pp. 1–13, 2013.
[12] K. Göransson, U. Söderlind, and W. Zhang, ‘Experimental test on a novel dual fluidised bed biomass gasifier for synthetic fuel production’, Fuel , vol. 90, no. 4, pp. 1340–1349, 2011.
[13] W. Saw, H. Mckinnon, I. Gilmour, and S. Pang, ‘Production of hydrogen-rich syngas from steam gasification of blend of biosolids and wood using a dual fluidised bed gasifier’, Fuel , vol. 93, pp. 473–478, 2012.
[14] S. Kern, C. Pfeifer, and H. Hofbauer, ‘Gasification of wood in a dual fluidized bed gasifier: Influence of fuel feeding on process performance’, Chem. Eng. Sci. , vol. 90, pp. 284–298, 2013.
[15] N. Aklis, T. A. Rohmat, and H. Saptoadi, ‘Mapping of Circulating Rate to Determine Non- mechanic Valve Operation in Dual Fluidized Bed Gasifier Cold Flow Model’, Proceedings of the 6th International Conference and Exhibition on Sustainable Energy and Advanced Materials, Lecture Notes in Mechanical Engineering, pp. 745–754, 2020.
[16] W. Doherty, A. Reynolds, and D. Kennedy, ‘Aspen Plus Simulation of Biomass Gasification in a Steam Blown Dual Fluidised Bed’, 2013.
[17] L. Shen, Y. Gao, and J. Xiao, ‘Simulation of hydrogen production from biomass gasification in interconnected fluidized beds’, Biomass and Bioenergy , vol. 32, no. 2, pp. 120–127, 2008.
[18] L. Yan, C. J. Lim, G. Yue, B. He, and J. R. Grace, ‘One-dimensional modeling of a dual fluidized bed for biomass steam gasification’, Energy Convers. Manag. , vol. 127, pp. 612– 622, 2016.
[19] W. K. H. Ariyaratne and M. C. Melaaen, ‘CFD Approaches for Modeling Gas-Solids Multiphase Flows – A Review 2 Basic CFD Approaches for’, pp. 680–686, 2016.
[20] D. M. Snider, S. M. Clark, and P. J. O. Rourke, ‘Eulerian – Lagrangian method for three- dimensional thermal reacting flow with application to coal gasifiers’, Chem. Eng. Sci. , vol. 66, no. 6, pp. 1285–1295, 2011.
[21] S. Kraft, F. Kirnbauer, and H. Hofbauer, ‘Particuology Influence of drag laws on pressure and bed material recirculation rate in a cold flow model of an 8 MW dual fluidized bed system by means of CPFD’, Particuology , vol. 36, no. 2018, pp. 70–81, 2020.
[22] H. Liu, R. J. Cattolica, and R. Seiser, ‘Operating parameter effects on the solids circulation rate in the CFD simulation of a dual fluidized-bed gasification system’, Chem. Eng. Sci. ,
vol. 169, pp. 235–245, 2017.
[23] H. Liu, R. J. Cattolica, R. Seiser, and C. hsien Liao, ‘Three-dimensional full-loop simulation of a dual fluidized-bed biomass gasifier’, Appl. Energy , vol. 160, pp. 489–501,
2015.
[24] S. Kraft, F. Kirnbauer, and H. Hofbauer, ‘CPFD simulations of an industrial-sized dual fluidized bed steam gasification system of biomass with 8 MW fuel input’, Appl. Energy , 2017.
[25] M. J. Andrews and P. J. O’rourke, ‘The Multiphase Particle-In-Cell (MP-IC) Method fro Dense Particulate Flows’, Int. J. Multiph. Flow , vol. 22, no. 2, pp. 379–402, 1996.
[26] S. Pannala, M. Syamlal, and T. O’Brien, Computational Gas-Solids Flows and Reacting Systems: Theory, Methods and Practice . 2010.
[27] F. Bustamante et al. , ‘High-Temperature Kinetics of the Homogeneous Reverse Water- Gas Shift Reaction’, AIChE J. , vol. 50, no. 5, pp. 1028–1041, 2004.
[28] P. G. Prusakov and L. V Sergeeva, ‘Physical and Thermody-namic Properties of Aliphatic Alcohols’, J. Phys. Chem. Ref. Zubarev , vol. 47, no. 5, p. 1443, 1974.
[29] M. Syamlal and L. A. Bissett, ‘METC Gasifier Advanced Simulation ( MGAS ) model METC-Gasifier Advanced Simulation ( MGAS ) Model Technical Note by EG & G
Washington Analytical Services Center , Inc . and U . S . Department of Energy Morgantown Energy Technology Center Morgantown , West’, West Virginia, 1992.