一种回收兰炭尾气的深冷分离系统，包括：换热器，用于对经深度净化及甲烷化处理后的兰炭尾气进行降温；精馏塔，与换热器连接，精馏塔用于对经换热器降温后的兰炭尾气进行精馏操作，精馏塔的塔底得到液化天然气，精馏塔的塔顶得到排放尾气；混合冷剂循环制冷系统，与换热器连接，混合冷剂循环制冷系统为深冷分离系统提供冷量；膨胀制冷系统，分别与换热器和精馏塔连接，精馏塔的塔顶的排放尾气进入所述膨胀制冷系统，经膨胀机降至常压并降温后返回换热器，为深冷分离系统和精馏塔补充冷量。还提供一种回收兰炭尾气的深冷分离方法。上述回收兰炭尾气的深冷分离系统和方法结构简单、能耗低。