本发明公开了一种煤层气分离系统，其包括：输送管，与外设供气泵相连通，用于将初步采出并过滤后的煤层气进行外排输送；安装支座；多级压缩组件，设置在所述安装支座上，所述输送管的一端与所述多级压缩组件相连通，用于煤层气内部压缩；分支净化组件，与所述多级压缩组件相连通，所述多级压缩组件在完成煤层气内部压缩后将不同压缩程度的煤层气分别输送至分支净化组件内；汇集管，连接在分支净化组件的输出端；第一脱水塔、第二脱水塔，其之间相互连通，所述汇集管的一端与第一脱水塔以及第二脱水塔相连通；脱除器，连通在所述第二脱水塔的输出端；以及储气罐，与所述脱除器相连通。