本发明公开了一种采用双级流化床的热化学储能系统及其运行方式，涉及热储能技术领域；该系统包括双级流化床储放能系统、二氧化碳吸附床、储能换热器、膨胀机、压缩机、释能换热器、冷凝器、储冷床、电加热器、干燥器、发电机；在电力供应充裕时，系统进入储能模式，双级流化床储放能系统内发生化学反应，最终将电能转化为氧化钙的化学能储存在氧化钙储罐中；当电力供应紧张时，系统进入释能模式，双级流化床储放能系统内发生双级化学反应，将氧化钙中储存的化学能充分释放，并转化为系统运行工质的热能，最终由高温工质驱动发电机产生电能。本发明的系统优化了普通热化学储能系统的储释能过程，能够长时间、跨距离储能的同时，保证了储能反应的充分进行，降低了释能过程所需活化能，是一种消纳新能源和平抑电网波动的有效方法。