本发明公开了一种集成低温余热回收的超临界二氧化碳循环烟气燃煤发电系统及运行方法，该系统包括两级主压缩机、级间冷却器、再压缩机、预冷器、三级回热器、锅炉、高压透平、中压透平、低压透平；锅炉炉膛内通过布置过热气冷壁和一次再热器共同承担炉膛辐射热负荷，防止过热超临界二氧化碳超温；本发明从中温回热器出口分流部分超临界二氧化碳工质进入锅炉后竖井烟道中温省煤器吸收高温烟气热量，从第二级主压缩机出口分流部分超临界二氧化碳工质进入锅炉尾部分流烟道低温省煤器吸收低温烟气热量，从而达到各辅助设备运行所需温度，提升辅助设备效率，同时实现锅炉中低温烟气热量梯级利用，降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率及电效率。