本实用新型公开了一种梯级冷却再热污泥热泵带式干化机组，包括机组整体框架系统、空气循环处理系统、低温制冷热泵系统和高温制冷热泵系统；空气从污泥干化室进入空气循环处理系统，经表冷器预冷，再依次通过高、低温制冷热泵系统的蒸发器，三次梯级换热降温使循环空气充分冷却，提高除湿量；干燥空气再依次通过低、高温制冷热泵系统的冷凝器，最后通过可调电加热器，实现干燥空气的梯级再热。本发明可同时提高冷凝温度并降低蒸发温度，实现污泥热泵干化过程中空气的大温差循环，保证送风温度的同时实现循环空气深度除湿，提高空气单次循环除湿量，解决现有污泥干化机组除湿能力差、能效较低的问题。