本发明涉及一种电厂海水直流冷却水的余热利用工艺及系统，包括增压泵、喷淋系统、空气‑海水传热传质设备、水蒸汽收集装置、淡水箱等。吸收乏汽热量的海水通过喷淋系统雾化成小液滴后进入空气‑海水传热传质设备，与密度差下自然上升的空气直接接触传热传质，吸收了水蒸汽的空气通过水蒸汽回收装置回收淡水，淡水收集后进入淡水箱储存备用；通过空气‑海水传热传质设备冷却后的海水排放至海中。本发明在合理利用电厂海水直流冷却水余热的同时获得低成本的淡水资源，为电厂直流冷却水的余热利用提供了新思路。