本发明公开的属于石灰窑技术领域，具体为一种回转窑分级燃烧工艺系统，包括预热器、回转窑、冷却器、主燃烧器、分级燃烧器、一次风机、二次风机，所述主燃烧器设置在所述冷却器顶部的窑头罩上，所述分级燃烧器设置在所述预热器底部的窑尾烟室处，所述分级燃烧器沿窑尾烟室四周均布，所述主燃烧器的燃气管道上设有主燃烧器燃气流量计、主燃烧器燃气手动切断阀、主燃烧器燃气盲板阀、主燃烧器燃气调节阀和主燃烧器燃气快速切断阀，本发明的有益效果是：降低系统热耗，节约能源，回转窑结圈的现象可显著减轻，可有效提高耐材寿命，大大减少回转窑的NOx排放量，方便系统调节和控制，利于精确控制各关键点的参数。