在一定的还原环境下，氮氧化物与烃基加一氧化碳和氢气反应变回氮气，这是燃料分级燃烧应用的理论基础。

燃料分级燃烧技术分两个阶段为燃烧提供燃料。大部分燃料进入一次燃烧区，与过量空气形成富氧燃烧区，有助于降低火焰温度；少量燃料进入二次燃烧区，在过量空气系数小于1.0的条件下，未充分燃烧形成还原环境，氮氧化物与烃基加一氧化碳和氢气反应生成氮气。

空气分级燃烧和燃料分级燃烧都是分级扩散燃烧。目前中小型燃气锅炉常见的低氮改造方案是分级扩散燃烧烟气外再循环综合方案。