本发明提供的一种低NOx排放的燃烧室、燃气轮机系统、燃气轮机系统的启动方法及负荷调节方法，从第一级燃烧器进入燃烧室本体的低热值合成气在贫燃区域燃烧，降低了火焰温度，减少了热力型NOx的生成；从第二级燃烧器进入燃烧室本体的合成气在略低于理论空燃比的区域燃烧，由于进入该区域的烟气经过从第一级燃烧器进入的低热值合成气的燃烧消耗了大量氧气，其氧含量大大降低，可以降低该区域燃烧时生成NOx的速率，并且第二级燃烧器的沿圆周方向的布置方式可以更高效的混合合成气与富含氧气的烟气，提高了燃烧稳定性和燃烧效率，降低了局部高温，也有利于减少热力型NOx的生成；本发明通过调整分级燃烧的运行方式可以在较宽负荷范围内保持合成气稳定燃烧，同时减少NOx排放。