一般根据不同可燃物质的种类，分为分解燃烧（即挥发分燃烧）和固定碳燃烧两种。而从工程技术的观点看，又可将污泥的焚烧分为三个阶段：干燥加热阶段、焚烧阶段、燃尽阶段，即生成固体残渣阶段。由于焚烧时一个传质、传热的复杂过程，故这三个阶段没有严格的划分界限。从炉内实际过程看，送入的污泥中有的物质还在预热干燥，而有的物质已开始燃烧，甚至已燃尽了。从微观角度来讲，对于同一污泥颗粒，颗粒表面已进入了焚烧阶段，而内部可能还在加热干燥。这就是说上述三个阶段只不过是焚烧过程的必由之路，其焚烧过程的实际工况将更为复杂。
（1）干燥加热阶段
污泥时有机物和无机物的综合，含水率较高，因此，焚烧时的预热干燥任务很重。从污泥送入焚烧炉起到污泥开始析出挥发分着火这一段，都认为是干燥加热阶段。随着污泥送入炉内的进行，其温度逐步升高，其水分开始逐步蒸发，此时，物料温度基本稳定。随着不断的加热，水分大量析出，污泥开始干燥。当水分基本析出完后，温度开始迅速上升，直到着火进入真正的燃烧阶段。在干燥加热阶段，污泥中的水分是以蒸汽形态析出的，因此需要吸收大量的热量——水的汽化热。
污泥的含水率越大，干燥阶段也就越长，从而使炉内温度降低。水分过高，炉内温度将大大降低，着火燃烧就困难，此时需投入辅助燃料燃烧，以提高炉温，改善干燥着火条件。有时也可采用干燥段与焚烧段分开设计，一方面使干燥段大量的水蒸气不与燃烧的高温烟气混合，以维持燃烧段烟气和炉墙的高温水平，保证燃烧段有良好地燃烧条件。另一方面干燥吸热是取自完全燃烧后产生的烟气，燃烧已经在高温下完成，再取其燃烧产物作为热源，就不致影响燃烧段本身了。
（2）焚烧阶段
物料基本上完成了干燥过程后，如果炉内温度足够高，且又有足够的氧化剂，物料就会很顺利的进入真正的焚烧阶段。焚烧阶段包括三个同事发生的化学反应模式。
1）强氧化反应
燃烧包括产热和发光二者的快速氧化过程。如果用空气做氧化剂，则可燃元素碳（C）、氢（H）、硫（S）的燃烧反应为：
C+O2 ——>CO2
2H2+O2 ——>2H2O
S+O2——>SO2
2）热解
热解是在无氧或近乎无氧条件下，利用热能破坏含碳高分子化合物元素间的化学键，使含碳化合物破坏或者进行化学重组。尽管焚烧要求确保有50%~150%的过剩空气量，以提供足够的氧气与炉内待焚烧的污泥有效地接触，但仍有部分污泥没有机会与氧接触。这部分污泥在高温条件下就要进行热解。以常见的纤维素分子为例。
C6H10O5 ——> 2CO+CH4+3H2O+3C
被热解后的组分常是简单的物质，如气态的CO、H2O、CH4，而C则以固态形态出现。
在焚烧阶段，对于大分子的含碳化合物而言，其受热后，总是先进行热解，随即析出大量的气态可燃气体成分，诸如CO、CH4、H2或者分子量较小的挥发分成分。挥发分析出的温度区间在200~800℃范围内。但要注意热解过程也会产生某些有害的成分，这些成分如果没有充分被氧化（燃烧掉），则必然成为不完全燃烧物。
3）原子基团碰撞
焚烧过程出现的火焰，实质上是高温下，富有原子基团的气流的电子能量跃进，以及分子的旋转和振动产生量子辐射，它包括红外线的热辐射、可见光以及波长更短的紫外线。火焰的形状取决于温度和气流组成。通常温度在1000℃左右就能形成火焰。气流包括原子态的H、O、Cl等元素，双原子的CH、CN、OH、C2等，以及多原子的基团HCO、NH2、CH3等极其复杂的原子基团气流。
4）燃尽阶段
物料在主焚烧阶段进行了强烈的发热、发光氧化反应之后，参与反应的物质浓度自然就减少了。反应生成的惰性物质，气态的CO2、H2O和固态的灰渣增加。由于灰层的形成和惰性气体比例的增加，剩余氧化剂要穿透灰层进入可燃物的深部与可燃成分反应也越困难。整个反应处于不利状况。因此，要使污泥中未燃的可燃成分反应燃尽，就必须保证足够的燃尽时间，从而使整个焚烧过程延长。该过程与焚烧炉的集合尺寸等因素直接相关。综上分析，燃尽阶段的特点可归纳为：可燃物浓度减少，惰性物增加，氧化剂量相对较大，反应区温度降低。要改善燃尽阶段的工况，常采用翻动、拨火等办法来有效地减少物料外表面的灰层，或控制稍多一点的过剩空气量，增加物料在炉内的停留时间等。
在整个焚烧过程中，燃烧结果至少有以下三种可能情况：
1）污泥中的有机物主要部分在燃烧室内被氧化或被全部破坏，或者一部分在一级燃烧室被热解，而第二燃烧室或后燃室完全焚毁；
2）很少一部分污泥由于某种原因，在焚烧过程中热解析出气体，挥发分气体逃逸而未被销毁，或只有部分销毁。在此情况下，有害组分就达不到销毁要求；
3）可能会产生一些中间产物，这些中间产物可能更为有害。在此情况下，不完全燃烧产物很可能超标排放。
