Produksi Syngas Gasifikasi Campuran Pelet Kayu Kaliandra dan Pelet Municipal Solid Waste (MSW) dengan menggunakan gasifier tipe Downdraft

Abstract

Peningkatan kebutuhan energi, keterbatasan sumber energi fosil, dan bertambahnya timbulan Municipal Solid Waste (MSW) mendorong pengembangan teknologi yang mengintegrasikan pemanfaatan energi terbarukan dan pengelolaan limbah. Co-gasifikasi biomassa–MSW menawarkan pendekatan untuk memanfaatkan karakteristik komplementer kedua bahan baku dan mengonversinya menjadi syngas. Dalam penelitian ini, pelet kayu Calliandra calothyrsus (CC) dipadukan dengan pelet MSW hasil biodrying sebagai co-feedstock pada gasifier tipe downdraft. Kualitas syngas merupakan hasil interaksi karakteristik feedstock, komposisi campuran, temperatur reaktor, Equivalence Ratio (ER), distribusi udara, dan mekanisme reaksi pada zona pengeringan, pirolisis, oksidasi, serta reduksi. Kajian state of the art menunjukkan adanya kesenjangan dalam menghubungkan secara sistematis desain dan konfigurasi gasifier, karakteristik bahan baku, kondisi operasi, kualitas syngas, kinerja energi–eksergi, irreversibilitas, dan indikator keberlanjutan. Analisis energi menjelaskan kuantitas energi yang dikonversikan, tetapi belum menggambarkan kualitas energi dan degradasi potensi kerja akibat irreversibilitas. Analisis eksergi melengkapinya melalui identifikasi exergy destruction, sedangkan Depletion Number (DN), Sustainability Index (SI), dan Improvement Potential (IP) digunakan secara komparatif untuk menilai irreversibilitas, pemanfaatan sumber daya, dan peluang peningkatan kinerja. Penelitian ini bertujuan mengembangkan dan mengevaluasi konfigurasi downdraft gasifier untuk co-gasifikasi pelet CC–MSW serta menerapkan Integrated Thermodynamic–Sustainability Evaluation Framework untuk menjelaskan hubungan feedstock, konfigurasi gasifier, kondisi operasi, respons termokimia, kualitas syngas, energi–eksergi, irreversibilitas, dan indikator keberlanjutan, sekaligus mengidentifikasi kondisi berkinerja terbaik dalam domain pengujian. Penelitian mencakup kajian literatur sistematis, karakterisasi bahan baku, evaluasi konfigurasi gasifier, eksperimen co-gasifikasi, karakterisasi syngas, serta analisis energi dan eksergi. Enam komposisi diuji, yaitu 100CC, 70CC–30MSW, 60CC–40MSW, 40CC–60MSW, 30CC–70MSW, dan 100MSW. Parameter yang diamati meliputi distribusi temperatur zona reaktor, ER, komposisi syngas, tar, dan lower heating value (LHV). Data eksperimen digunakan untuk menentukan distribusi dan efisiensi energi–eksergi, kehilangan panas, exergy destruction, dan irreversibilitas. Diagram Sankey memvisualisasikan distribusi energi dan eksergi, sedangkan DN, SI, IP absolut, dan IP ternormalisasi digunakan sebagai indikator komparatif keberlanjutan termodinamika. Gasifier yang dikembangkan memiliki tinggi reaktor 900 mm, diameter ruang reaksi 416 mm, throat 223 mm, H/D = 2,16, dan Dt/D = 0,536, serta dilengkapi refractory, suplai udara zona oksidasi, pemantauan temperatur multi-zona, dan sistem pembersihan serta pengukuran syngas terintegrasi. Kontribusi desain diposisikan sebagai pengembangan dan evaluasi konfigurasi eksperimental yang spesifik untuk co-gasifikasi pelet CC–MSW, bukan sebagai penemuan prinsip baru gasifikasi downdraft. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kualitas syngas ditentukan oleh interaksi karakteristik bahan bakar, temperatur zona oksidasi, ER, dan perkembangan kondisi termokimia di dalam reaktor. CC menyediakan fixed carbon dan char yang relatif reaktif, sedangkan MSW hasil biodrying memberikan fraksi volatil sekaligus membawa kadar air, abu, dan komponen inert yang lebih tinggi. Peningkatan fraksi MSW karena itu tidak menghasilkan respons CO, H2, CO2, C?H?, dan LHV yang monoton. Temperatur zona oksidasi menyediakan panas bagi reaksi endotermik zona reduksi, tetapi temperatur tertinggi tidak selalu menghasilkan CO, H2, atau LHV tertinggi. Kondisi reduksi harus mendukung reaksi Boudouard, uap–char, water–gas shift, dan reformasi senyawa volatil. ER mengendalikan keseimbangan antara suplai oksidan, pembentukan panas melalui oksidasi parsial, dan pemeliharaan komponen gas mampu bakar; suplai udara berlebihan dapat meningkatkan oksidasi dan pengenceran syngas. Oleh sebab itu, tidak terdapat satu temperatur atau ER yang dapat dinyatakan sebagai kondisi optimum universal. Analisis lintas komposisi menunjukkan bahwa 70CC–30MSW memberikan kombinasi kestabilan proses dan kualitas syngas paling konsisten di antara enam komposisi. Penetapan ini didasarkan pada sintesis multiindikator, meliputi kemampuan mempertahankan H2 dan LHV relatif tinggi, kontribusi CO yang berarti, respons yang relatif konsisten terhadap perubahan temperatur dan ER, serta dinamika proses yang lebih terkendali dibandingkan beberapa campuran dengan kandungan MSW lebih tinggi. Kondisi tersebut mengindikasikan interaksi komplementer antara karakter biomassa CC dan kontribusi zat terbang MSW. Namun, karena synergy index terhadap weighted additive baseline tidak dihitung, hasil ini tidak dinyatakan sebagai bukti sinergi termokimia secara kuantitatif. Dengan demikian, 70CC–30MSW merupakan komposisi berkinerja terbaik dalam domain pengujian, bukan komposisi optimum universal. Analisis energi–eksergi menunjukkan bahwa peningkatan kuantitas energi produk tidak selalu identik dengan peningkatan kualitas pemanfaatan energi. Neraca energi menggambarkan distribusi energi masukan menjadi energi syngas dan kehilangan, sedangkan analisis eksergi menunjukkan degradasi kemampuan melakukan kerja akibat irreversibilitas. Diagram Sankey dan exergy destruction memperjelas distribusi aliran termodinamika dan kehilangan potensi kerja. Pada basis perbandingan ER = 0,20, 70CC–30MSW menunjukkan kinerja termodinamika terbaik dengan efisiensi energi 59,72%, efisiensi eksergi berguna 56,56%, DN 0,3072, SI 3,255, IP absolut 33,59 MJ per batch, dan IP ternormalisasi 0,1335. DN, SI, dan IP tidak diposisikan sebagai indikator baru atau berdasarkan kategori universal, melainkan sebagai indikator komparatif dengan batas sistem dan basis perhitungan yang konsisten. Sintesis penelitian menghasilkan Integrated Thermodynamic–Sustainability Evaluation Framework yang menghubungkan karakteristik feedstock ? konfigurasi gasifier dan kondisi operasi ? respons termokimia ? kualitas syngas ? energi ? eksergi ? exergy destruction/irreversibilitas ? DN–SI–IP ? keputusan teknik. Kerangka ini memungkinkan kondisi berkinerja terbaik ditentukan melalui evaluasi multiindikator dan keterlacakan hubungan sebab–akibat, bukan berdasarkan satu parameter tunggal. Kontribusi ilmiah penelitian mencakup: pengembangan dan evaluasi konfigurasi downdraft gasifier untuk pelet CC–MSW dengan pemantauan multi-zona dan pembersihan syngas terintegrasi; bukti eksperimental hubungan karakteristik feedstock dengan respons termokimia, kualitas syngas, dan kinerja termodinamika; serta integrasi eksperimen, analisis energi–eksergi, exergy destruction, Sankey, dan DN–SI–IP dalam kerangka evaluasi termodinamika–keberlanjutan. Kontribusi ini bukan penciptaan hukum termodinamika atau indikator baru, tetapi struktur evaluasi terintegrasi dari karakteristik bahan baku hingga keputusan teknik. Dalam konteks Ilmu Keteknikan Pertanian, penelitian memperluas pendekatan rekayasa biosistem untuk pemanfaatan biomassa dan residu perkotaan sebagai pembawa energi gas melalui integrasi karakterisasi bahan, rekayasa reaktor termokimia, pengukuran proses, evaluasi kualitas produk, dan analisis hukum pertama serta kedua termodinamika. Hasilnya memberikan dasar bagi pengembangan waste-to-energy skala kecil dan sistem energi terdesentralisasi berbasis biomassa–MSW. Syngas berpotensi digunakan untuk pembakaran langsung, mesin gas, atau diesel dual-fuel setelah memenuhi persyaratan kualitas aplikasi hilir. Pengembangan lebih lanjut memerlukan pengujian kontinu dan skala pilot, peningkatan gas cleaning, pengukuran kehilangan panas langsung, penguatan analisis ketidakpastian, serta evaluasi energi bantu, ekonomi, dan lingkungan. Kerangka yang dihasilkan merupakan kerangka evaluasi, bukan model prediktif; karena itu, penerapannya pada feedstock, skala, dan konfigurasi gasifier lain memerlukan karakterisasi ulang dan validasi eksternal.