本发明涉及一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法，加热炉设预热段、一加热段、二加热段及均热段，其中一加热段设燃烧系统一、二加热段设燃烧系统二，燃烧系统一、燃烧系统二分别由设于炉膛两侧的多个烧嘴及氧枪组成，加热炉富氧燃烧系统还包括用于控制燃烧系统一或同时控制燃烧系统一及燃烧系统二的富氧浓度控制系统；富氧浓度控制系统由炉膛温度检测模块、烧嘴负荷计算模块、煤气量控制模块及氧浓度控制模块组成；本发明将加热炉原有燃烧系统与富氧燃烧技术有机结合，通过氧枪喷入高速氧气，在炉内形成无焰燃烧，能够有效提高加热炉的燃烧效率，降低燃料消耗，优化炉内温度场分布及钢坯温度均匀性，降低NOx的排放。