本发明公开了一种含空气煤层气的液化分离工艺，主要是将冷却后的含空气煤层气通入一分馏塔的中部，经分馏塔底部的蒸发器的蒸发和顶部冷凝器的冷凝、塔内的气体馏分、液体馏分进行充分的质、热交换，在分馏塔顶部得到高纯度的氮气，分馏塔底部得到高纯度的液态天然气，其中，在分馏塔顶部与含空气煤层气入口之间引出一部分洁净空气通入换热器中。本发明还提供了上述液化分离工艺设备。本发明含空气煤层气液化分离设备及工艺是专为含空气煤层气设计的分离液化过程，采用单级精馏设备，较双级精馏的工艺更简单，操作更方便，其投入成本较低，利于大规模推广。