本发明涉及二氧化碳膜分离法捕集技术领域，具体提供一种烟气中二氧化碳膜分离系统，其包括：烟气预处理模块，适于对输入的烟气进行气液分离以干燥烟气；氮气分离模块，适于接收烟气预处理模块输出的烟气，且包括有适于对烟气进行氮气膜分离的一级气体分离膜组件；以及二氧化碳膜分离浓缩模块，适于接收氮气分离模块输出的渗透气，且适于对烟气进行二氧化碳分离。本发明提供的烟气中二氧化碳膜分离系统能够先将烟气中氮气进行分离以提高烟气二氧化碳浓度，从而提高烟气中二氧化碳膜分离的效果，进而减少对二氧化碳膜分离组件对二氧化碳的渗透性的要求，并降低气体膜分离装置的成本。