一种火电厂中低温烟气热能梯级利用系统及方法,该系统在火电厂锅炉尾部烟道耦合布置布雷顿循环,且火电厂锅炉尾部烟道采用分隔烟道即两路烟道,一路烟道连通空气预热器烟气入口,另一路烟道连通布雷顿循环加热器烟气入口,所述布雷顿循环加热器工质出口连通透平入口,透平出口连通布雷顿循环冷却器工质入口,布雷顿循环冷却器工质出口通过压气机连通布雷顿循环加热器工质入口;布雷顿循环冷却器热空气出口连通空气预热器空气入口,空气预热器空气出口连接锅炉燃烧器;本发明还公开了烟气热能梯级利用方法;能够优化火电厂中低温烟气的换热流程,降低空气预热器不可逆损失,从而提高整个火力发电厂效率,同时提高了进入空气预热器空气温度对空气预热器的安全运行有利。