本发明公开了一种耦合空气分离装置的富氧燃烧锅炉二氧化碳收集系统，包括烟气处理装置、凝华器、再冷器、液化升压室、换热器等设备。本发明利用空气分离装置制备的低温氧气使二氧化碳凝华为易储存的干冰，并利用干冰升华获得便于运输的液态二氧化碳；同时引入冷凝水对压缩空气进行级间冷却，并使用干冰、精馏获得的液氧和低温氮气来降低压缩空气的温度，实现锅炉与空气分离装置的耦合，降低空分设备的能耗；此外，将用于凝华二氧化碳的氧气通入制冷系统，利用其剩余冷量实现对外供冷。