本发明提供了一种热泵回收利用余热的二氧化碳捕集系统。该系统通过第一余热回收热泵对经由贫富液热交换器降温后的处于中温段的贫液进行余热回收和提质，和/或通过第三余热回收热泵对吸收液的反应余热进行余热回收和提质，并将回收的余热用于加热解吸塔底部的中贫液以进行二氧化碳解吸，从而实现低品位余热的回收和充分提质，以达到低品位余热的充分利用的目的。该系统还通过第一耦合换热器和/或第二耦合换热器使将回收的热能回用于二氧化碳解吸之后的工质进一步与分流出的冷富液进行热交换以对冷富液进行预热，从而实现二氧化碳捕集系统内部能量的耦合利用，有效降低二氧化碳捕集系统的热量消耗和运行成本。