熱氧化法可分為三種：熱力燃燒式、間壁式和蓄熱式。它們的主要區別在于熱量回收方式的不同。三種方法都可以和催化法結合起來以降低反應溫度。

1.熱力燃燒式熱氧化器。熱力燃燒式熱氧化器一般指的是氣體焚燒爐。它由助燃劑、混合區和燃燒室組成。助燃劑(天然氣、石油等)作為輔助燃料，燃燒產生的熱在混合區對VOC廢氣進行預熱，燃燒室為預熱后的廢氣提供足夠大的空間和足夠長的時間以完成＊終的氧化反應。在供氧充足的前提條件下，氧化反應的程度取決于“三T條件”：反應溫度、駐留時間、湍流混合情況。這“三T條件”是互相聯系的，在一定范圍內改善一個條件可使另外兩個條件降低。熱力燃燒式熱氧化器的一個最大缺點是輔助燃料價格太高，致使裝置的操作費用很高。

2.間壁式熱氧化器。間壁式熱氧化是指在熱氧化裝置中加入間壁式熱交換器，熱交換器把從燃燒室排出的高溫氣體所帶的熱量傳遞給氧化裝置進口處的低溫氣體，預熱后發生氧化反應。由于目前的間壁式熱交換器可獲得85%的熱回收率，所以極大地降低了輔助燃料的消耗。間壁式熱交換器通常設計成管式、殼式或板式。由于通常的熱氧化溫度要保持在800℃—1000℃，所以間壁式熱交換器必須由耐熱、耐腐蝕的不銹鋼或合金材料制成。這就使得間壁式熱交換器的造價很高，這是間壁式熱氧化器的一個缺點。同時材料的熱應力也不易消除，這是間壁式熱氧化器的另一個缺點。

3.蓄熱式熱氧化器。蓄熱式熱氧化器RTO，是在熱氧化裝置中加入蓄熱式熱交換器，預熱VOC廢氣，再進行氧化反應。隨著蓄熱材料的發展，目前蓄熱式熱交換器的熱回收率已能達到95%以上，而且占用空間越來越小。這樣輔助燃料的消耗很少(甚至不用輔助燃料，且當VOC的濃度達到一定值以上時，還可從RTO輸出熱量)。同時，由于目前的蓄熱材料都選用陶瓷填料，所以可處理腐蝕性或含有顆粒物的VOC廢氣。RTO裝置又可分為閥門切換式和旋轉式。閥門切換式RTO是＊常見的一種RTO。其由兩個或多個陶瓷填充床，通過閥門的切換，改變氣流的方向，從而達到預熱VOC廢氣的目的。

兩床式RTO主體結構由燃燒室、兩個陶瓷填料蓄熱床和兩個切換閥組成。當VOC廢氣由引風機送入蓄熱床1后，該床放熱，VOC廢氣被加熱，在燃燒室氧化燃燒，氣體通過蓄熱床2，該床吸熱，燃燒后的潔凈氣被冷卻，通過切換閥后排放。在達到規定的切換時間后，閥切換，VOC廢氣從蓄熱床2進入，蓄熱床2放熱，VOC廢氣被氧化燃燒，氣體通過蓄熱床1，該床吸熱，燃燒后的潔凈氣被冷卻，通過切換閥后排放。如此周期性切換，就可連續處理VOC廢氣。近年來，國外又研制開發出旋轉式RTO。該裝置由一個燃燒室、一個圓柱形分成幾瓣獨立區域的陶瓷蓄熱床和一個旋轉式轉向器組成。通過旋轉式轉向器的旋轉，就可改變陶瓷蓄熱床不同區域的氣流方向，從而連續地預熱VOC廢氣，在燃燒室氧化燃燒后就可去除VOC。相對于閥門切換式RTO，旋轉式RTO由于只有一個活動部件(旋轉式轉向器)，所以運行更可靠，維護費用更低，但缺點是旋轉式轉向器不易密封，泄露量大，影響VOC的凈化率。