本发明公开了一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统及其热能回收方法，属于能源回收领域，工质经工质泵加压后在换热器与余热介质换热；经第一节流阀节流后进入高压级气液分离器，高压级闪蒸后的饱和蒸汽进入高压级透平膨胀做功，饱和液体经第二节流阀再次节流变成气液混合物，该气液混合物和乏气在高压级混合器内混合，接着共同进入低压级气液分离器，低压级闪蒸后的饱和蒸汽进入低压级透平膨胀做功，饱和液体经第三节流阀节流变成气液混合物，该气液混合物和乏气在低压级混合器内混合；共同进入冷凝器内冷却。本发明改善循环与冷源的温度匹配，减少单级OFC直接节流所造成的火用损失，提高系统效率，实现中低温热能的梯级高效利用。