Я решил задачу по другому: клонировал модуль proxy, сделал пустой в нём функцию обратного вызова process_header. И пропатчил файл ngx_http_header_filter_input.c, убрав в нём по условию существования одного флага добавление CRLF в конец заголовка. Также пришлось выключить chunked передачу.