Quá trình đốt cháy rơm rạ là sự kết hợp của các quá trình vật lý và hóa học khác nhau và thường được chia thành ba giai đoạn cơ bản là: giai đoạn bắt lửa (quá trình gia nhiệt), giai đoạn cháy có ngọn lửa (cháy bùng phát) và giai đoạn kết thúc [11].
-Giai đoạn bắt lửa, các phần nhỏ như lá và phần chứa bông lúa cháy trực
tiếp. Các phần lớn hơn như thân cây, trải qua quá trình gia nhiệt. Độ dài của giai đoạn bắt lửa phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của rơm rạ, như độ ẩm, phương thức đốt và kích thước nhiên liệu. Trong giai đoạn bắt lửa ban đầu này, một lượng lớn CO được phát sinh và các chất hữu cơ dễ bay hơi, như các hợp chất thơm đa vòng được giải phóng.
-Giai đoạn cháy có ngọn lửa (cháy bùng phát) khi nhiên liệu cháy đã đủ
khô, quá trình đốt cháy chuyển từ giai đoạn bắt lửa sang giai đoạn bùng cháy. Giai đoạn này cũng bảo gồm cả hai quá trình đốt cháy hoàn toàn và đốt cháy không hoàn toàn. Sản phẩm của quá trình đốt cháy hoàn toàn là CO2 là H2O. Đối với quá cháy không hoàn toàn, một lượng lớn CO và các hợp chất hữu cơ được tạo thành. Thành phần và lượng chất thải phụ thuộc vào các giai đoạn của quá trình cháy, khả năng cung cấp oxy, nhiệt độ và thành phần cơ bản của nhiên liệu đốt. Các hợp chất khí có thể được chia thành các sản phẩm khí thải sơ cấp và thứ cấp. Ứng với nhiệt độ thấp (thường
<100oC), các anđehit nhẹ, axit fomic và axit axetic là những chất phát thải chiếm ưu thế. Với nhiệt độ trên 220oC, cấu trúc polyme của nhiên liệu bị phân hủy (khoảng 80%) và một lượng lớn các hợp chất khí được tạo ra. Ở nhiệt độ 250–500oC, metan, anđehit, metanol, furan và các hợp chất thơm như benzen, toluen, etylbenzen và
phenol được tạo ra. Sự phát thải cực đại có thể xảy ra ở nhiệt độ 350oC. Hơn 50% lượng aldehit thải ra là fomandehit và acetandehit. Đây là giai đoạn phát sinh lượng CO2 là nhiều nhất trong ba giai đoạn.
Giai đoạn kết thúc được đặc trưng bởi sự cháy không ngọn lửa (quá trình oxy
hóa pha rắn) của than. Than bao gồm khoảng 90% cacbon, 5% oxy và 3% hydro. Do đó, tỷ lệ hình thành các hợp chất hữu cơ bay hơi trong giai đoạn này là thấp. Nhưng vì không có ngọn lửa nên tổn thất của các chất hữu cơ từ giai đoạn cháy có ngọn lửa rất ít dẫn đến tỷ lệ phát thải các hợp chất hữu cơ vẫn tương đối cao trong giai đoạn này. Hợp chất phát thải chiếm ưu thế là CO. Tốc độ phát thải của tất cả các sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn có xu hướng tương quan với nhau và CO thường được lấy làm chất đại diện cho quá trình phát thải của các hợp chất cacbon.
Đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng là một quá trình đốt cháy không kiểm soát, quá trình cháy cũng diễn ra 3 giai đoạn như được mô tả ở trên và sản phẩm của quá trình cháy tạo ra một lượng lớn các chất ô nhiễm, trong đó phải kể đến một số chất chính như: bụi lơ lửng và bụi mịn (TSP và PM), CO2 và các chất ô nhiễm dạng khí (CO, NOx, SO2, ...), VOCs, PAHs,... [11, 31-33]. Các hợp chất này đã được xác định, báo cáo trong một số nghiên cứu trước đây và đặc điểm của từng chất ô nhiễm được trình bày tóm tắt dưới đây.