本发明公开了一种水泥窑旁路放风联合分级燃烧窑尾烟气处理装置，包括回转窑的窑尾烟室、分解炉、旋风预热器、双旋风分离器、分层冷却脱硫塔、袋式收尘器；回转窑的窑尾烟室与分解炉连接；回转窑的窑尾烟室通过旁路烟气管道与双旋风分离器连接；旋风预热器的下料管热生料一分为二，一部分按原路进入窑尾烟室，另一部分进入从窑尾烟室抽出的旁路烟气；双旋风分离器与分层冷却脱硫塔顶部连接；分层冷却脱硫塔底部与袋式收尘器连接，其中部通过还原风管与分解炉连接；分解炉从上至下分别设燃尽区、强还原区、弱还原区。此外，本发明还公开上述装置的烟气处理工艺方法。本发明氨水降低率可达80％，达到零喷氨降氮的效果，减轻生产成本和环境压力。