燃烧理论将NOx的生成分为热力型NOx（Thermal NOx）、快速型NOx（PrompT NOx）、燃料型NOx（Fuel NOx）、N2O中间型NOx和NNH型NOx五种机理。天然气中含氮量较低，燃烧温度高，NOx来源主要为热力型NOx。热力型NOx是指燃烧过程中，空气中N2在高温下氧化生成NOx。关于热力型NOx的生成机理一般采用泽尔多维奇机理。热力型NOx机理如下所示：
| O+N2→N+NO | |
| N+O2→O+NO | |
| N+OH→H+NO |
热力型NOx生成机理在高温燃烧中起支配作用，化学当量比可以在很宽的当量比内变化。在热力型机理中，温度是支配NOx生成的关键性变量。当温度低于1380℃时，热力型NOx的生成量很少；高于1380℃时，温度每升高100℃，反应速度将增大6-7倍。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内的温度分布是不均匀的，如果有局部高温区，则在这些区域会生成较多的NOx，它可能会对整个燃烧室内的NOx生成起关键性的作用。因此在炉膛中，为了抑制NOx的生成，除了降低炉内平均温度外，还必须设法使炉内温度分布均匀化，避免局部高温。
天然气燃烧过程中快速型NOx生成也占一定比例。快速型NOx机理与碳氢化合物的燃烧化学密切相关。费尼莫尔最早发现NO在层流预混火焰的火焰区域中快速地产生，且是在热力型NOx形成之前就已形成，他给这种快速形成的NOx命名为快速型NOx。图2-1给出了快速型NOx简要形成路径。快速型NOx机理的一般描述是碳氢自由基与氮分子进行反应形成胺和氰基化合物，胺或氰基化合物进一步转变形成中间体最终形成NOx，其机理可表示为：
| CH+N2→HCN+N | |
| N+O2→NO+O | |
| HCN+OH→CN+H2O | |
| CN+O2→NO+CO | |
| NH+H→N+H2 | |
| N+OH→NO+H |
燃气锅炉NOx的生成95%以上为热力型NOx，快速型NOx占比不足5%，因此热力型NOx的控制是低氮燃烧的关键，降氮热力型NOx是低氮燃烧器结构设计的主要目标。
