氫氣的應用領域很大，其中，用量最大的是作為一種重要的石油化工原料，用于生產合成氨、甲醇以及石油煉制過程的加氫反應。此外，在電子工業、冶金工業、食品工業、浮法玻璃、精細有機合成、航空航天工業等領域也有應用。
氫氣是現代煉油工業和化學工業的基本原料之一，在廣泛范圍內氫以多種形式用于化學工業。合成氨、甲醇用的氫大部分是由天然氣、石腦油或重油的蒸汽轉化或部分氧化制取。一個1000t/d規模的氨廠，每生產1t氨需要氫氣336m3,大規模生產合成氨的主要成本取決于氫的成。一個2500t/d規模的甲醇廠，每生產1t甲醇約需要氫氣560m3。
石油煉制工業用氫量僅次于合成氨。在石油煉制過程中，氫氣主要用于石腦油加氫脫硫、粗柴油加氫脫硫、燃料油加氫脫硫、改善飛機燃料的無火焰高度和加氫裂化等方面；在石油化工領域，氫氣主要用于C3餾分加氫、汽油加氫、C6－C8餾分加氫脫烷基以及生產環己烷等方面。
催化重整原料的加氫是除去石腦油中的硫化物、氮化物、鉛和砷等雜質，是石油煉制工業中最早使用的過程。柴油餾分和重質餾分的加氫脫硫操作壓力為3-4MPa，溫度340-380℃。燃料油加氫脫硫主要是由于環保的要求，因為空氣污染95%是由于燃料油燃燒時放出的SO2引起的，加氫脫硫耗氫量大，工藝上可采用直接或間接脫硫。加氫裂化是在氫氣存在下進行的催化裂化過程，反應主要特征是C-C鍵斷裂，空速低，所用氫氣量大。選擇性加氫主要用于高溫裂解產物，對乙烯餾分進行氣相加氫，對丙烯餾分采用液相加氫，汽油餾分中富含二烯烴、烯烴和芳香烴，這類化合物在與空氣接觸時會產生膠質，故一定要進行加氫處理，將不穩定化合物轉化成穩定的產物。
加氫精制也是除去有害化合物的過程，除硫化氫、硫醇、總硫之外，炔烴、烯烴、金屬和準金屬等均可在加氫過程中除去。因而，在現代石油化學加工過程中，利用加氫工藝可以改善石油化學品的質量，增加最有價值的石油化學品的產量.減少重油殘渣和焦油的生成，降低結碳量，提高石油加工廠的適應性，從石油加工廢物中可以得到很多有價值的石油化學產品，凈化一系列產品，除去有害雜質。氫是現代石油化工工業產品最通用的凈化劑，能提高大型裂化裝置的生產能力。
在石油化工領域，還可以用氫和一氧化碳反應合成多種有機化合物，如乙二醇的合成、合成聚甲烯(poly methylen）、,醇的同系化反應、與不飽和烴反應制醛等。用費托法可以合成各種烴，包括發動機燃料和一系列有價值的單一有機化合物，如固體石蠟、含氧化合物等。
此外，采用選擇加氫，可由醛制醇，炔烴制烯烴，甲苯脫烷基制苯，硝基苯加氫制苯胺以及由萘制氫化萘等。在輕化工行業中所使用的二苯基亞甲基二異氰酸酯(MDI)、甲苯二異氰酸酯(TDI)、己二酸、
脂肪醇等都需要采用催化加氫工藝。氫氣純度不同對加氫裝置能耗有較大影響，如95%的氫和99%氫用于柴油加氫對比，前者能耗為后者的1.35倍。氫氣中含有的兩類雜質對生產不利，一類是使催化劑中毒的雜質(如O,H2S)，一類是惰性物質(如甲烷、氮氣、烴類)，有毒雜質會使催化劑活性下降。
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