本发明公开了一种分级热解气化系统及其应用、制革废弃物的处理方法。所述分级热解气化系统包括一第一回转窑和一第二回转窑，所述第一回转窑包括一皮革碎料进料口、一高温烟气进口、一中温烟气出口、一第一粗燃气出口和一副产物出料口，所述第二回转窑包括一皮革污泥进料口、一中温烟气进口、一低温烟气出口、一第二粗燃气出口和一污泥灰渣出料口，所述第一回转窑的所述中温烟气出口与所述第二回转窑的所述中温烟气进口相连通，所述高温烟气进口与一二燃室相连通，所述第一粗燃气出口和/或所述第二粗燃气出口还与所述二燃室相连通。本发明提供的制革废弃物的处理方法清洁、高效，制革废弃物减量化可达90％以上。