基本原理是將燃料的燃燒過程分階段完成。在蒂1階段，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總燃燒空氣量的70－75%（相當于理論空氣量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒。此時蒂1級燃燒區內過量空氣系數α＜1，因而降低了燃燒區內的燃燒速度和溫度水平。因此，不但延遲了燃燒過程，而且在還原性氣氛中降低了生成NOx的反應率，抑制了NOx在這一燃燒中的生成量。
為了完成全部燃燒過程，完全燃燒所需的其余空氣則通過布置在主燃燒器上方的專門空氣噴口OFA（over fire air）――稱為"火上風"噴口送入爐膛，與蒂1級燃燒區在"貧氧燃燒"條件下所產生的煙氣混合，在α＞1的條件下完成全部燃燒過程。由于整個燃燒過程所需空氣是分兩級供入爐內，故稱為空氣分級燃燒法。 這一方法彌補了簡單的低過量空氣燃燒的缺點。在蒂1級燃燒區內的過量空氣系數越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃燒產物越多，導致燃燒效率降低、引起結渣和腐蝕的可能性越大。
因此為保證既能減少NOx的排放，又保證鍋爐燃燒的經濟性和可*性，必須正確組織空氣分級燃燒過程。 若用空氣分級燃燒方法改造現有煤粉爐，應對前墻或前后墻布置燃燒器的原有爐膛進行改裝，將頂層燃燒器改作"火上風"噴口，將原來由頂層燃燒器送入爐膛的煤粉中形成富燃料燃燒，從而NOx生成。可降低15－30%。新設計的鍋爐可在燃燒器上方設"火上風"噴口。
