一种合成气多联产高纯CO、富氢气、压缩天然气的深冷分离装置，该装置包括分子筛吸附单元Ⅰ和深冷分离装置冷箱单元Ⅱ两部分，该分子筛吸附单元Ⅰ通过管道连接自上游低温甲醇洗来的煤制合成气或至少含有一氧化碳、氢气、甲烷和少量氮气的混合气，所述的分子筛吸附单元装填新型分子筛，吸附混合气中的二氧化碳、甲醇或水等低温下易凝固组分，防止这些物质冻结管道及设备，上述技术方案采用氮气循环制冷系统，单独设置氮气压缩机闭式循环制冷流程，无需技术要求比较高的CO产品气压缩机用于制冷循环，降低CO压缩机的规模和投资，总体上降低了动设备的投资，同时独立的氮气制冷循环系统又增加了设备的可操作性。