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本发明涉及一种超低氮燃烧系统及其控制方法，燃烧系统包括：制氧机组，制氧机组的氧气出口端连接进氧通道一端；低氮燃烧器，进氧通道另一端与低氮燃烧器的进气道连通，低氮燃烧器为具有多层控制层的燃烧器；烟囱，低氮燃烧器尾部通过排气道与烟囱连通；控制装置，控制装置与制氧机组和低氮燃烧器电性连接，且控制装置控制制氧机组和低氮燃烧器实现多层控制层中浓燃烧控制层过剩空气系数为1.08‑1.20，淡燃烧控制层的过剩空气系数为0.85‑0.98，综合过剩空气系数控制在1.03‑1.05之间。本发明公开提供了一种超低氮燃烧系统，通过制氧机组制造的高纯度的氧气，多层控制层浓淡燃烧控制相结合，降低了燃烧后产物造成的二次污染问题。